Studi Pengaruh Post Heat Treatment Pada ECAP (Equal Channel Angular Pressing) Cu-30%Zn Terhadap Sifat Mekanis dan Ukuran Butir

Transkripsi

1 Studi Pengaruh Post Heat Treatment Pada ECAP (Equal Channel Angular Pressing Cu-30%Zn Terhadap Sifat Mekanis dan Ukuran Butir Abstrak Andy Pramana Kusuma, Dedi Priadi, Suryadi. Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia Logam kuningan yang memiliki kekerasan yang tinggi, kekuatan tarik yang tinggi, ketangguhan yang baik, dan machineability yang baik semakin dibutuhkan serta diinginkan. Salah satu metode efektif untuk menjawab kebutuhan tersebut adalah dengan metode penghalusan butir seperti ECAP (equal channel angular pressing dengan diberikan post heat treatment. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari post heat treatment pada material Cu-30%Zn hasil ECAP 4 pas terhadap sifat mekanis dan ukuran butirnya. Pengujian yang dilakukan adalah uji kekerasan mikro vickers, uji tarik, pengujian Scanning Electron Microscope (SEM yang dilakukan pada perpatahan hasil uji tarik, serta pengujian metalografi yang dilakukan untuk mengevaluasi struktur mikro beserta pengukuran ukuran butirnya. Hasil penelitian ini yaitu (a ECAP 4 pas akan mengurangi ukuran butir rata-rata dari 34 μm sebelum ECAP menjadi 1,402 μm, (b ECAP 4 pas akan meningkatkan kekerasan dari sebesar 92 HV menjadi 248 HV, tensile strength dari 379 MPa menjadi 878 MPa, yield strength dari 212 MPa menjadi 627 MPa, dan penurunan elongasi dari 64 % menjadi 19%, dan (c post heat treatment yang dilakukan setelah proses ECAP akan menyebabkan terjadinya rekristalisasi pada struktur shear band menjadi butir-butir ultra halus yang equiaxed sehingga terjadi penurunan pada nilai kekerasan, tensile strength, dan yield strength, sedangkan elongasinya meningkat. Post heat treatment 300 C selama 15 menit dipilih sebagai nilai optimum karena rekristalisasi sempurna telah terjadi. Kata Kunci : ECAP 4 pas; Penghalusan butir; Post heat treatment; Rekristalisasi Abstract Brass metal which has a high hardness, high tensile strength, good toughness, and good machineability are increasingly required and desired. One of effective method for answering the demand is by using grain refinement methods such as ECAP (equal channel angular pressing with post heat treatment. This study was conducted to determine the effect of post heat treatment on material ECAP 4 pass Cu-30% Zn against mechanical properties and grain size. Testing methods were vickers microhardness testing, tensile testing, Scanning Electron Microscope (SEM testing on fraktography of tensile tests, and metallographic tests were used for evaluating the microstructure with grain size measurement. Results of this study showed that (a ECAP 4 pass will reduce the average grain size of 34 μm at before ECAP up to μm, (b ECAP 4 pass will increase the hardness from 92 HV to 248 HV, tensile strength from 379 MPa to 878 MPa, yield strength from 212 MPa to 627 MPa, and the elongation decreased from 64% to 19%, and (c post heat treatment that done after ECAP process will make the shear band recrystallized into equiaxed ultra fine grains so the hardness, tensile strength, and yield strength will decreased, while the elongation increased. Post heat treatment of 300 C for 15 minutes was chosen as the optimum value because of the fully recystallization already occurred. Keywords : ECAP 4 pass; Grain refinement; Post heat treatment; Recystallization. 1

2 2 Pendahuluan Butir yang halus dan homogen pada suatu material mempengaruhi sifat mekanisnya seperti untuk mendapatkan yield strength yang tinggi, kekerasan yang tinggi, meningkatkan ketangguhan & keuletan material dengan meningkatkan laju regangannya (strain rate. Butir yang halus juga akan meningkatkan kekuatan tarik logam sehingga dalam aplikasinya dapat menurunkan rasio berat terhadap kekuatan. Manufaktur dan pemrosesan ultrafine grain (butir sangat halus sudah menumbuhkan ketertarikan dari ilmuwan dan industri untuk memperoleh keuntungan-keuntungan sifat dari material tersebut. Sudah banyak penelitian yang dilakukan untuk mendapatkan butir hingga ukuran dibawah 1μm (nano grain untuk bisa terbentuknya butir yang sangat halus pada material. Proses yang dilakukan untuk mendapatkan butir yang sangat halus biasa dilakukan dengan proses severe plastic deformation (SPD. Dua teknik proses yang paling umum digunakan dengan proses SPD adalah high pressure torsion (HPT dan equal channel angular pressing (ECAP. Kedua teknik proses SPD tersebut dikembangkan untuk memfabrikasi dan menghasilkan material butir yang sangat halus (ultra fine grained untuk lebih dimengerti sifat dari material tersebut untuk mendesain material dengan performa yang superior. Teknik equal channel angular pressing (ECAP adalah teknik yang lebih menarik karena teknik ini sangat berpotensial dan efektif dalam penghalusan butir material dari struktur butir makro hingga menjadi butir submikro atau skala nano dengan melalui dies yang spesial. ECAP adalah salah satu proses SPD dengan melakukan deformasi melalui penekanan terhadap logam yang dilewatkan pada saluran berbelok dengan penampang sama yang bertujuan untuk menghasilkan butir yang sangat halus. Proses ECAP untuk menghasilkan butir yang sangat halus bisa diaplikasikan untuk logam paduan aluminium, tembaga (Cu, magnesium, nikel, logam kuningan dan material intermetallic. Logam kuningan adalah salah satu logam non ferrous yang cukup banyak mempunyai aplikasi, seperti: konektor, pipa, selongsong peluru, peluru, dan banyak lainnya. Logam kuningan juga memiliki berbagai jenis, yang mana hal tersebut berhubungan dengan aplikasi kuningan tersebut. Jenis tersebut didasarkan terhadap kadar tembaga (Cu dan kadar seng (Znnya. Salah satu jenis kuningan adalah catridge brass yaitu kuningan dengan kadar Cu 70% dan Kadar Zn 30 %. Catridge brass dengan sifat mampu bentuk dan sifat mampu tarik

3 3 yang baik mempunyai aplikasi sebagai selongsong peluru, industri transportasi, serta industri migas. Salah satu faktor yang menentukan sifat mekanis dan ukuran butir material yaitu perlakuan panas material tersebut. Perlakuan panas pada kuningan yang dilakukan yaitu annealing hingga rekristalisasi untuk memperoleh sifat optimum dan terbaik dari material kuningan, yang mana hal tersebut juga dipengaruhi dari jumlah dan fraksi butir halus pada struktur mikro logam kuningan tersebut, Pada penelitian ini, kita ingin melihat bagaimana meningkatkan jumlah dan fraksi butir halus pada struktur mikro logam kuningan catridge dengan menggunakan proses SPD dan proses setelahnya (ECAP + post heat treatment ECAP yang berpengaruh terhadap sifat mekanis, mekanisme perubahan struktur mikronya, ukuran butirnya, dan struktur fraktografi patahan uji tariknya. Tinjauan Teoritis CuZn (brass / kuningan adalah suatu paduan tembaga dengan konstituen paduannya yaitu zinc (seng. Sifat dari suatu material kuningan umumnya dipengaruhi dari kandungan zinc yang terkandung di material tersebut, tetapi sifatnya tersebut bisa juga dimodifikasi atau direkayasa dengan penambahan elemen lainnya untuk jauh lebih meningkatkan karakteristik spesifik dari material kuningan tersebut seperti kekuatan, machinability, serta ketahanan terhadap korosi. Kadar zinc < 35 % yang ditambahkan terhadap tembaga (copper, menyebabkan zinc larut menjadi bentuk solid solution dari komposisi yang beragam. Kuningan dengan kadar zinc tersebut dinamakan dengan kuningan alpha (alpha brass atau cold working brass. Material ini dikarakterisasi dengan duktilitasnya pada temperatur ruang. Material ini bisa dideformasi secara ekstensif dengan rolling, drawing, bending, spinning, deep drawing, dan thread rolling. Material yang paling dikenal pada grup material ini adalah material kuningan yang mengandung 30 % zinc dan diketahui sebagai kuningan 70/30 atau catridge brass [1]. Ketika kuningan mengandung % zinc, menghasilkan campuran fasa dari Cu dan Zn yang dikenal dengan alpha-beta brass, duplex brass, ataupun hot working brass. Fasa beta di kuningan alpa-beta mengurangi sifat cold formabilitas tetapi meningkatkan sifat mampu bentuk terhadap hot formabilitas.

4 4 Proses dengan deformasi plastik yang sangat tinggi (SPD bisa didefinisikan sebagai suatu grup proses teknik metal working yang menggunakan regangan plastik yang super besar untuk menghasilkan logam yang berbutir yang ultra-halus. Tujuan utama dari proses SPD adalah untuk menghasilkan sifat kekuatan yang tinggi dan komponen yang ringan dengan harmoni lingkungan [2,3]. Severe plastic deformation (SPD mempunyai banyak jenisnya, beberapa proses SPD yang sedang berkembang dan mulai banyak digunakan yaitu equal channel angular pressing (ECAP, accumulative roll-bonding (ARB, high pressure torsion (HPT, repetitive corugation & straightening (RCS, dan cyclic extrusion compression (CEC [4]. Material bisa dikatakan nanokristalin jika ukuran butirnya yaitu < 100 nm, butir yang ultra halus (ultra-fine grained jika rata-rata ukuran butirnya yaitu nm ( 0,1 1 μm, dan butir kasar jika ukuran butirnya lebih besar dari 1 μm [5]. Equal Channel Angular Pressing (ECAP adalah salah satu teknik dalam proses metal forming yang menggunakan regangan plastis yang ultra-besar terhadap material supaya membuat butir logam menjadi ultra-halus ataupun nano kristalin. Aplikasi dari ECAP digunakan untuk berbagai material seperti: aluminium, tembaga, magnesium, & nikel beserta paduannya, dan untuk intermetallic material. Secara prosesnya, sampel material di bubut supaya sesuai dengan saluran tersebut dan didorong dengan suatu plunger yang diberikan tekanan yang cukup besar. Penggunaan minyak pelumas digunakan untuk mengurangi friksi saat pemprosesan, untuk keawetan perkakas yang digunakan, dan mengetahui beban sebenarnya yang digunakan untuk proses tersebut. Proses ECAP bisa diulangi berkali-kali tanpa mengubah diameter ataupun dimensi dari sampel material. Gambar 2.8 Skema proses ECAP [6]

5 5 Untuk menghasilkan sifat mekanis yang lebih baik pada material-material logam (termasuk CuZn, umumnya proses metal forming diikuti dengan proses perlakuan panas atau heat treatment. Proses metal forming umumnya ada yang di lakukan pada temperatur rendah atau ruang, serta ada juga yang dilakukan dalam temperatur cukup tinggi. Jika metal forming dilakukan pada temperatur rendah atau ruang, metal forming menyebabkan plastic deformation bisa mengubah distribusi ukuran butir material, menghasilkan butir yang pipih dimana bersifat getas dan menghasilkan tegangan dalam sisa sehingga perlu dilakukan perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan dalam sisa tersebut dan meningkatkan sifat keuletannya. Proses perlakuan panas yang dilakukan pada material logam (termasuk CuZn yaitu: recovery, rekristalisasi, dan grain growth. Metode Penelitian Sampel yang digunakan pada penelitian ini adalah material Cu-30%Zn yang berbentuk pelat yang diberikan pengerjaan rolling, kemudian pelat tersebut dipotong berukuran 10 mm x 10 mm x 190 mm. Setelah dipotong, material tersebut di beri tanda sesuai hasil arah rollingnya dan dilakukan proses pembubutan untuk menghasilkan material yang silinder dengan diameter 10 mm. Material siap digunakan untuk proses ECAP adalah material hasil bubut tersebut dengan diameter 10 mm dan panjang (tinggi silinder adalah 80 mm yang telah dilakukan proses annealing C dengan waktu tahan 90 menit. Eksperimen proses SPD pada logam kuningan tersebut yaitu dengan menggunakan metode equal channel angular pressing (ECAP adalah dengan menggunakan berbagai parameter proses, yaitu : jumlah pas yang digunakan yaitu 4 pas, dengan rute penekanan Bc, kecepatan penekanan yang dilakukan adalah sekitar 8 mm/menit, pengerjaan dilakukan pada temperatur ruang, dan percobaan ECAP dilakukan dengan sudut belok Proses ECAP menggunakan rute Bc, dimana posisi bagian depan sampel yang di ECAP tetap untuk setiap pasnya, namun setiap pas diputar 90 0 terhadap sumbu utamanya. Perlakuan panas setelah proses ECAP (post heat treatment pada ECAP dilakukan untuk melihat hasil optimum dari material hasil proses ECAP, baik dilihat dari sifat mekanis, struktur mikro dan fraktografinya. Tetapi dalam penelitian ini, optimumnya dilihat dari sifat terekristalisasi secara sempurnanya. Percobaan dilakukan dengan variasi suhu temperatur ruang, 200, 300, dan C dengan waktu tahan yang seragam yaitu 15 menit. Variasi suhu

6 6 tersebut diambil berdasarkan dari sifat rekristalisasi dari material CuZn pada temperatur berkisar tersebut. Karakterisasi-karakterisasi yang dilakukan terhadap logam yang telah di ECAP dan proses heat treatment setelah proses ECAP yang meliputi : Uji kekerasan (micro hardness dengan microhardness vickers, untuk melihat pengaruh deformasi dan heat treatment setelah deformasi terhadap perubahan kekerasan. Pengujian kekerasan ini dilakukan dengan berbagai titik untuk mengetahui kekerasan rata-ratanya dan kehomogenan dari persebaran kekerasannya. Uji tarik, untuk melihat perubahan kekuatan saat diberikan perlakuan panas setelah proses ECAP serta untuk melihat sifat fraktografi dari material tersebut dengan menggunakan SEM. Pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik untuk mengetahui : struktur butir dan ukuran butirnya Hasil Penelitian dan Pembahasan Berikut ini adalah pembahasan mengenai pengujian yang telah dilakukan pada material Cu-30% Zn hasil rolling dan annealling 600 C selama 90 menit yang diberikan perlakuan ECAP (equal channel angular pressing 4 pas dilanjutkan dengan post heat treatmentnya. Gambar 1 Spesimen kuningan setelah melalui proses ECAP (kiri dan posisi sampel dalam dies (kanan Pada gambar 1, bisa dilihat bahwa hasil material yang telah dilakukan proses ECAP akan menghasilkan sirip pada sampelnya dan hal tersebut terjadi di setiap pasnya. Sehingga sebelum dilanjutkan ke pas selanjutnya dengan proses ECAP, perlu dilakukan pembubutan terhadap spesimen agar sesuai dengan diameter rongga dies.

7 7 Material kuningan yang telah melalui proses ECAP akan mengalami penyusutan ukuran panjang, pada material kuningan yang telah melalui ECAP 4 pas, akan menghasilkan ukuran panjang akhir yaitu sekitar 40 mm dari panjang awalnya 80 mm. Hal tersebut disebabkan karena butir pada material tersebut menjadi sangat padat dan sangat halus karena proses ECAP tersebut. a a b a c a d a e a f a Gambar 2. Foto perubahan struktur mikro Cu-30%Zn dengan adanya semua perlakuan yang dilakukan dengan perbesaran 500 X, (a non anil-non ECAP, (b anil non ECAP, (c ECAP 4 pas, (d ECAP 4 pas + post heat treatment 200 C, (e ECAP 4 pas + post heat treatment 300 C, (f ECAP 4 pas + post heat treatment 400 C.

8 8 Pada gambar 2 a, bisa dilihat bahwa butir sampel kuningan sebelum diberikan perlakuan annealing 600 C selama 90 menit masih berbentuk besar dan pipih karena masih merupakan hasil rolling serta butirnyapun masih belum homogen. Pada gambar 2 b, bisa dilihat bahwa butir sampel kuningan setelah diberikan perlakuan annealing 600 C selama 90 menit sudah berbentuk halus dan homogen, butir halus tersebut karena dengan perlakuan yang diberikan menyebabkan butir yang awalnya pipih menjadi recovery dan akhirnya terkristalisasi secara optimum sehingga butir-butir baru yang equiaxed tumbuh optimum serta homogeny. Pada gambar 2 c, bisa dilihat bahwa butir sampel kuningan (Cu-30%Zn setelah diberikan perlakuan ECAP 4 pas akan mengalami perubahan struktur mikro yang signifikan dengan ditandai terjadinya penghalusan butir yang sangat signifikan. Penghalusan butir terjadi merata pada bagian pinggir maupun tengahnya, hal tersebut dikarenakan oleh rute yang digunakan adalah rute Bc, yang mana rute tersebut adalah dengan memutarkan 90 searah jarum jam setiap pergantian menuju pas selanjutnya. Sehingga jika dilakukan 4 pas akan terjadi putaran hingga 360 dari awal dan hal tersebut menandakan seluruh bagian material tersebut memang mendapatkan gaya langsung pada proses ECAP. Jika dilihat secara struktur mikro, akan terlihat banyaknya garis sejajar yang merupakan shear band, dimana arah perubahan butir (memanjang mengikuti arah garis tersebut. Garis tersebut merupakan deformation band atau banyak dikenal dengan nama shear band [2] dari pergerakan dislokasi. Dislokasi bergerak karena beban yang diberikan terhadap spesimen menghasilkan mikromikro band atau garis-garis sejajar pada struktur mikro tersebut. Daerah shear band merupakan daerah kumpulan dislokasi-dislokasi dari tiap-tiap butir yang menuju batas butir, sehingga fenomena tersebut akan meningkatkan nilai kekerasan material [2]. Pada gambar 2 d, bisa dilihat bahwa pada post heat treatment 200 C masih terlihat tampak banyak shear band yang masih ada pada material ECAP 4 pas tersebut namun shear band tersebut sudah tampak berkurang dari sebelum di post heat treatment. Hal tersebut menandakan bahwa hanya sebagian dari butir yang berada di garis shear band yang sudah mulai berekristalisasi namun rekristalisasi tersebut belum bersifat optimum karena sebagiannya lagi masih berbentuk shear band. Pada gambar 2 e, bisa dilihat bahwa pada post heat treatment 300 C semua garis-garis sejajar (shear band sudah tidak terlihat kembali, hal tersebut dikarenakan butir-butir halus yang memanjang mengikuti alur shear band telah terekristalisasi sempurna. Hal tersebut memungkinkan saja bahwa butir sudah terikristalisasi sempurna pada temperatur dibawah

9 9 300 C. Tetapi dari hasil yang didapat ini, bisa dikatakan bahwa temperatur 300 C merupakan temperatur yang optimum untuk post heat treatment. Pada gambar 2 f, bisa dilihat bahwa pada post heat treatment 400 C terdapat beberapa butir yang sudah mulai membesar kembali walaupun terlihat butir masih tampak homogen. Hal tersebut menandakan bahwa pada post heat treatment 400 C telah melewati rekristalisasi yang optimum dan butirnya mulai membesar. Ukuran Butir (μm Non Anil-Non ECAP Anil- Non ECAP ECAP 4 Pas Non Post HT Ukuran Butir (μm 104,76 34,53 1,402 Gambar 3 Grafik perbadingan ukuran butir dari sampel non Anil-non ECAP, anil non ECAP, dan ECAP 4 pas Pada gambar 3 mengenai hasil pengukuran ukuran butir dari penelitian yang dilakukan, diketahui bahwa proses anil 600 C selama 90 menit akan mengurangi ukuran butir daripada non anil karena pada temperatur dan waktu tahan tersebut akan menghasilkan rekristalisasi butir yang optimum dari material hasil rolling non anil tersebut.selain itu, bisa diketahui juga bahwa proses ECAP 4 pas akan mengurangi ukuran butir secara signifikan dari berukuran butir rata-rata 34,53 μm hingga ukuran butir rata-ratanya menjadi 1,402 μm karena pengaruh penghalusan butir dengan perubahan butir (memanjang yang mengikuti arah garis shear band.

10 10 Ukuran Butir (μm 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ECAP 4 Pas Non Post HT ECAP 4 Pas + Post HT 200 C ECAP 4 Pas + Post HT 300 C ECAP 4 Pas + Post HT 400 C Ukuran Butir (μm 1,402 0,926 1,162 1,266 Gambar 4 Grafik perbadingan ukuran butir dari sampel ECAP 4 pas sebelum dan sesudah post heat treatment Pada gambar 4 dimana juga mengenai hasil pengukuran ukuran butir dari penelitian yang dilakukan, bisa diketahui bahwa dengan post heat treatment 200, 300, ataupun 400 C selama 15 menit akan mempengaruhi ukuran dari butir tersebut. Tanpa post heat treatment yaitu 1,402 μm, namun ketika diberikan post heat treatment 200,300, dan 400 C selama 15 menit akan menghasilkan ukuran butir menjadi 0,926 μm, 1,162 μm, dan 1,266 μm. Sehingga bisa dikatakan bahwa dengan perlakuan post heat treatment 200, 300, dan 400 C akan menghasilkan butir yang lebih halus daripada material kuningan ECAP 4 pas sebelum diberikan perlakuan post heat treatment, karena butir-butir halus memanjang disepanjang garis-garis sejajar (shear band hasil ECAP 4 pas akan mulai terekristalisasi sebagian pada post heat treatment 200 C, sudah terekristalisasi sempurna pada post heat treatment 300 C, dan sudah mulai melewati rekristalisasi sempurna pada post heat treatment 400 C karena ada sebagian dari butir yang sudah membesar. Jika diamati, pada post heat treatment 200 C mempunyai ukuran butir lebih halus daripada dengan 300 C. Hal tersebut terjadi karena pada post heat treatment 200 C butir-butir halus disepanjang garis sejajar (shear band mulai terekristalisasi sebagian, namun ada sebagian yang belum terekristalisasi sehingga pengukuran tersebut tepat pada butir halus terekristalisasi tersebut. Ketika pada post heat treatment 300 C, sebagian butir-butir halus di sepanjang garis shear band yang tidak terekristalisasi pada temperatur 200 C mulai terekristalisasi sempurna, tetapi butir-butir halus yang sudah terekristalisasi pada temperatur 200 C akan mulai membesar saat sebagian lainnya mulai terekristalisasi. Hal tersebut menyebabkan pengukuran

11 butir yang dilakukan dengan image analysis memungkinkan pengukuran butirnya tidak hanya pada butir yang baru terekristalisasi saja tetapi juga pengukuran butir yang mulai membesar tersebut dan hasilnya ukuran butirnya lebih halus pada post heat treatment 200 C. Walaupun ukuran butir rata-rata pada post heat treatment 200 C selama 15 menit lebih halus daripada dengan temperatur 300 C selama 15 menit, namun post heat treatment yang optimum adalah 300 C karena pada 300 C sudah hilang semua shearbandnya dan semua butirnya sudah terekristalisasi sempurna. Vickers MicroHardness (HV Non Anil- Non ECA P Anil- Non ECA P ECA P 4 Pas Non Post HT ECA P 4 Pas + Post HT ECA P 4 Pas + Post HT ECA P 4 Pas + Post HT Kekerasan (HV Gambar 5. Grafik perbandingan kekerasan dari setiap proses yang dilakukan pada material sampel 11 Gambar 5 menampilkan perbandingan hasil pengujian kekerasan dari setiap proses yang dilakukan pada material sampel, dari gambar tersebut bisa diketahui beberapa hal seperti berikut : 1. Pengaruh anealling pada material non ECAP akan menurunkan sifat kekerasan dari material tersebut, dimana material Cu-30%Zn yang masih non anil-non ECAP memiliki kekerasan sebesar 159 HV, dengan diberikan perlakuan annealling akan menghasilkan kekerasan sebesar 92 HV. Secara umumnya kekerasan akan menurun tetapi sifat keuletannya akan meningkat, hal tersebut juga menandakan bahwa tegangan sisa pada material non anil- non ECAP tersebut yang berasal dari proses rolling telah berhasil dihilangkan dengan proses anealling 600 C, dan jika dilihat secara struktur mikro akan terlihat pada material non anil - non ECAP yang berbutir pipih dan besar akan menjadi sangat halus karena terjadi rekristalisasi yang homogen. Hal tersebut sesuai dengan literatur yang ada [2, 6, 7]. 2. Proses ECAP 4 pas meningkatkan sifat kekerasan dari material CuZn berkali-kali lipat daripada sebelumnya dari sebesar 92 HV hingga menjadi 248 HV, hal tersebut bisa terjadi karena adanya mekanisme penghalusan butir. Jika dilihat secara mikro,

12 12 penghalusan butir tersebut karena perubahan butir (memanjang mengikuti garis shear band pada saat ECAP. Dengan semakin halusnya ukuran butir, maka akan membuat pergerakan dislokasi akan terhambat karena batas butir yang semakin banyak. Hal tersebut membuat material menjadi semakin sulit untuk dideformasi sehingga energi yang diperlukan untuk proses deformasi menjadi lebih tinggi. Hal tersebut sesuai dengan literatur yang ada [2, 6, 7]. 3. Hasil pengujian kekerasan vickers microhardness menunjukkan bahwa dengan adanya post heat treatment yang dilakukan setelah proses ECAP akan menyebabkan berkurangnya nilai kekerasannya [6]. Hal tersebut dikarenakan perlakuan post heat treatment akan menyebabkan berkurangnya & hilangnya tegangan sisa beserta shear band hasil dari ECAP. Selain itu, post heat treatment juga menyebabkan terjadinya rekristalisasi atau pertumbuhan butir baru dari butir yang telah halus yang mengikuti garis shear band tersebut. 4. Pada post heat treatment 200 C kekerasannya hanya berkurang sedikit namun post heat treatment 300 C akan menyebabkan kekerasan yang turun cukup besar. Hal tersebut dikarenakan pada post heat treatment 200 C masih terdapat shear bandshear band dari hasil ECAP 4 pas sehingga kekerasan dan kekuatannya menurun tidak drastis. Jika pada post heat treatment 300 C, kekerasannya menurun cukup drastis karena shear band akibat ECAP 4 pas telah hilang dan terekristalisasi secara sempurna. Gambar 6. Grafik perbandingan yield strength, tensile strength, dan elongasi Cu-30%Zn berdasarkan perlakuannya

13 13 Gambar 6 menampilkan perbandingan yield strength, tensile strength, dan elongasi berdasarkan perlakuan yang dilakukan. Dari gambar tersebut bisa diketahui beberapa hal seperti berikut : 1. Perlakuan ECAP 4 pas pada suatu material Cu-30%Zn akan meningkatkan sifat kekuatan tarik (tensile strength dan kekuatan yieldnya (yield strength tetapi memberikan efek mengurangi sifat elongasi dari suatu material. Pada material Cu- 30%Zn yang diberikan perlakuan anil-non ECAP mempunyai tensile strength sebesar 379 MPa dan yield strength sebesar 212 MPa, namun ketika material tersebut diberikan perlakuan ECAP 4 pas akan menyebabkan naiknya tensile strength menjadi 878 MPa dan yield strength menjadi 627 MPa. Tensile strength dan yield strength meningkat jauh hingga mencapai lebih dari 2x lipatnya. Serupa seperti pada kekerasan mikrovickers, hal tersebut bisa terjadi karena adanya mekanisme penghalusan butir. 2. Post heat treatment yang dilakukan setelah proses ECAP akan menyebabkan menurunnya yield strength, tensile strength, dan meningkatkan elongasinya dibandingkan dengan yang tanpa post heat treatment. Hal tersebut bisa terjadi serupa seperti dengan mengapa sifat kekerasannya menurun ketika diberikan perlakuan post heat treatment, yaitu dikarenakan perlakuan post heat treatment akan menyebabkan berkurangnya & hilangnya tegangan sisa beserta shear band hasil dari ECAP. Selain itu, post heat treatment juga menyebabkan terjadinya rekristalisasi atau pertumbuhan butir baru dari butir yang telah halus yang mengikuti garis shear band tersebut. 3. Pada post heat treatment 200 C kekuatan tarik dan kekuatan yield hanya berkurang sedikit namun ketika dengan post heat treatment 300 C akan menyebabkan penurunan kekuatan tarik dan yield yang cukup besar. Serupa seperti pada kekerasan mikro vickers, hal tersebut bisa terjadi karena pada post heat treatment 200 C masih terdapat shear band- shear band dari hasil ECAP 4 pas, sedangkan pada post heat treatment 300 C shear band telah hilang dan terekristalisasi sempurna.

14 14 a b c d e Gambar 7 Hasil perpatahan sampel uji tarik secara visual (a anil non ECAP, (b ECAP 4 pas, (c ECAP 4 pas + post heat treatment 200 C, (d ECAP 4 pas + post heat treatment 300 C, (e ECAP 4 pas + post heat treatment 400 C Gambar 7 menampilkan hasil perpatahan sampel uji tarik tersebut, bisa dilihat bahwa sampel hasil uji tarik hampir semuanya berbentuk shear 45 kecuali sampel anil non ECAP, post heat treatment 300 C, dan post heat treatment 400 C yang cenderung berbentuk cup & cone walau tampak shear 45 nya. Shear 45 yang cenderung cup & cone pada material ini menandakan duktilitasnya yang bertambah [8]. Shear 45 yang dikendarai oleh yield menandakan shear stress tersebut menghasilkan deformasi plastis sehingga material tersebut cenderung ductile. Sebagaimana diketahui bahwa material diatas ini adalah Cu-30% Zn dan itu merupakan material berstruktur kristal FCC sehingga cenderung ductile di semua temperatur [9], dan hal tersebut bisa dilihat fakta hasil perpatahannya melalui SEM (Scanning Electron Microscope yang hasilnya berupa dimpel-dimpel pada semua hasil perlakuan.

15 15 a b c d e Gambar 8 Fraktografi SEM perbesaran 1000 X pada perpatahan uji tarik sampel Cu-30%Zn,(a anil-non ECAP, (b ECAP 4 pas, (c ECAP 4 pas + post heat treatment 200 C /15 menit, (d ECAP 4 pas + post heat treatment 300 C /15 menit, dan (e ECAP 4 pas + post heat treatment 400 C selama 15 menit. Gambar 8 menampilkan gambar fraktografi SEM pada perpatahan uji tarik sampel Cu- 30% Zn dengan berbagai perlakuannya. Dari gambar 8 bisa diketahui beberapa hal, seperti berikut : 1. Pada material anil non ECAP, bisa diamati bahwa fraktografi SEM hasil perpatahan permukaannya mengandung banyak dimpel yang dalam dan bersifat homogen dimana terdistribusi seperti honeycomb. 2. Pada material ECAP 4 pas, bisa diamati bahwa perlakuan ECAP 4 pas akan mempengaruhi sifat perpatahan permukaannya yaitu dimpelnya menjadi lebih halus dan kecil [10]. Selain itu, terdapat garis-garis putih halus sejajar yang berada di

16 16 dimpel tersebut, hal tersebut diperkirakan adalah shear band pengaruh dari deformasi plastis ECAP 4 pas. 3. Post heat treatment 200 C setelah ECAP 4 pas akan mengurangi garis-garis halus sejajar yang berada di dimpelnya dan juga menyebabkan sebagian butir dimpel tersebut menjadi lebih halus seperti halnya pada butirnya yang mengalami mulai terekristalisasi. 4. Pada post heat treatment 300 C setelah ECAP 4 pas, garis-garis halus sejajar yang berada di dimpelnya tersebut telah hilang semua dan perpatahan permukaannya mengandung dimpel yang sangat halus serta homogen. Hal tersebut menandakan pada saat post heat treatment 300 C telah terekristalisasi secara sempurna. 5. Pada post heat treatment 400 C setelah ECAP 4 pas, perpatahan permukaannya mengandung sebagian besar dimpel yang sangat halus dan cukup homogen namun tidak sehomogen pada post heat treatment 300 C. Hal tersebut ditandai dengan adanya sebagian dimpel halus yang tampak terlihat cukup besar ukurannya. Itu menandakan pada saat post heat treatment 400 C selama 15 menit, material tersebut telah melawati masa terekristalisasi sempurna. 6. Dari semua perpatahan permukaan dengan menggunakan SEM, bisa diketahui bahwa material Cu-30%Zn tersebut ketika sebelum diberikan perlakuan ECAP 4 pas, setelah ECAP 4 pas, dan setelah post heat treatment ECAP 4 pas menunjukkan perpatahan permukaan yang mengandung dimpel. Hal tersebut mengindikasikan bahwa material Cu-30%Zn tersebut mempunyai sifat yang ductile pada segala kondisi karena merupakan material non ferrous yang berstruktur kristal FCC [9]. Kesimpulan Berdasarkan pengujian dan analisis pada material Cu-30%Zn yang diberikan perlakuan ECAP 4 pas dengan variasi tanpa post heat treatment, post heat treatment 200 C, post heat treatment 300 C, dan post heat treatment 400 C. Maka dapat disimpulkan : 1. Butir ultra halus bisa dicapai dengan proses ECAP (equal channel angular pressing 4 pas + post heat treatment. ECAP 4 pas non post heat treatment, post heat treatment 200 C, post heat treatment 300 C, dan post heat treatment 400 C akan menghasilkan ukuran butir rata-rata sebesar 1,402 μm, 0,926 μm, 1,162μm, dan 1,266 μm.

17 17 2. Material non ECAP (anil non ECAP mempunyai kekerasan sebesar 92 HV, tensile strength 379 MPa, yield Strength 212 MPa, elongasi 64 %, dan memiliki ukuran butir rata-rata 34,53 μm. Dengan perlakuan ECAP 4 pas akan menghasilkan kekerasan 248 HV, tensile strength 878 MPa, yield strength 627 MPa, elongasi 19 % dan memiliki ukuran butir rata-rata yaitu 1,402 μm. 3. ECAP 4 pas akan menghasilkan garis-garis sejajar halus berupa shear band- shear band yang tampak terlihat pada struktur mikro dan fraktografi perpatahannya. 4. Post heat treatment setelah proses ECAP 4 pas akan menyebabkan penurunan nilai kekerasan, nilai tensile strength, yield strength, dan ikuti dengan peningkatan elongasi. Kekerasan menurun hingga 138 HV, tensile strength 465 MPa, yield Strength 386 MPa, dan elongasi meningkat hingga sebesar 24 %. 5. Post heat treatment ECAP akan menyebabkan terekristalisasinya shear band serta menyebabkan mengurangnya dan menghilangnya shear band yang tampak pada struktur mikro & fraktografi perpatahannya. 6. Post heat treatment yang optimum setelah ECAP 4 pas adalah post heat treatment 300 C selama 15 menit dengan ditandai telah terjadinya rekristalisasi secara sempurna dari material tersebut dan hilangnya seluruh shear bandnya. 7. Hilangnya Shear band menyebabkan penurunan secara signifikan pada kekerasan, tensile strength, dan yield strength serta peningkatan elongasi pada ECAP pas + post heat treatment. Pada ECAP 4 pas + post heat treatment 200 C, akan menghasilkan kekerasan 245 HV, tensile strength 823 MPa, yield strength 627 MPa, dan elongasi 19 %. Dengan ECAP 4 pas + post heat treatment 300 C, akan menghasilkan kekerasan 165 HV, tensile strength 510 MPa, yield strength 408 MPa, dan elongasi 24%. 8. Deformasi plastis yang sangat besar dengan metode ECAP 4 pas akan menyebabkan penurunan temperatur rekristalisasi pada material Cu-30%Zn. Temperatur rekristalisasi Cu-30%Zn menurun dari C (pada saat sebelum ECAP hingga menjadi 300 C (Setelah ECAP 4 pas.

18 18 Saran Untuk penelitian lebih lanjut, Untuk menghasilkan sifat mekanis yang lebih baik dan ukuran butir yang jauh lebih halus untuk aplikasi yang lebih luas, perlu dilakukan proses lanjutan rekayasa material setelah material ECAP 4 pas yang diberikan perlakuan post heat treatment 300 C. Rekayasa tersebut bisa dengan melakukan ECAP kembali ataupun dengan proses metal forming lainnya. Referensi [1] Copper Development Association, Pub 117 The Brasses- Properties & Applications. Page UK [2] Suryadi. Laporan Penelitian 1: Studi pembentukan subgrain dan butir halus pada kuningan alfa melalui proses severe plastic deformation. Department of Metallurgy and Materials Engineering University of Indonesia [3] Kazeem O.Sanusi, Oluwole D.M, Graeme J.Oliver. equal channel angular pressing technique for the formation of ultra-fine grained structures. AOSIS Open Journals. South Africa [4] J.Zrnik, S.V. Dobatkin, I.Mamuzic. processing of metals by severe plastic deformation (SPD strukture and mechanical properties respond. Page [5] Akbarzadeh A. Nanostructure, Texture Evolution and Mechanical Properties of Aluminum Alloys Processed by Severe Plastic Deformation. Iran [6] H.S Kim, W.Y. Kim, K.H. Song. Effect of post heat treatment in ECAP processed Cu- 40%Zn, Journal of Alloys and Compounds S200-S203. Korea Institute of Industrial Technology: [7] H.S Kim, W.Y. Kim, K.H. Song. Enhancement of Mechanical Properties And Grain Refinement in ECAP 6/4 Brass. Korea Institute of Industrial Technology: [8] S. Dadbakhsh, A.Karimi, C.W. Smith. Strengthening study on 6082 Al alloy after combination of aging treatment and ECAP process. Materials Science and Engineering A 527 ( Iran & UK. [9] Anne Z.Diktat Kuliah Fracture. Dept Metallurgy and Material Engineering, UI, Depok [10] S.Qu, C.X. Huang, Y.L. Gao, G.Yang, S.D. Wu, Q.S. Zang, Z.F. Zhang. Tensile and compressive properties of AISI 304 L stainless steel subjected to equal channel angular pressing. Chinese Academy of Science, China