ANALISIS SIFAT MEKANIS DAN STRUKTURMIKRO PADA PRODUK PADUAN Al78Si22 METODE SQUEEZING CASTING

Transkripsi

1 ANALISIS SIFAT MEKANIS DAN STRUKTURMIKRO PADA PRODUK PADUAN Al78Si22 METODE SQUEEZING CASTING Eddy Djatmiko 1 dan Budiarto 2 1 Jurusan Teknik Mesin, FT, Universitas pancasila, Jakarta 2, BATAN, Jakarta eddydjatmiko@gmail.com, budidamz@batan.go.id ABSTRAK ANALISIS SIFAT MEKANIS DAN STRUKTURMIKRO PADA PRODUK PADUAN Al78Si22 METODE SQUEEZING CASTING. Telah dilakukan analisis sifat mekanis dan strukturmikro pada produk paduan Al78Si22 hasil pengecoran cara squeezing casting. Paduan Al78Si22 dapat meningkatkan kualitas dari performa mesin pada industri rekayasa pembangkit daya. Bahan alumunium dan silikon dengan kemurnian diatas 99% untuk paduan Al78Si22. Peleburan Al dan Si dalam tungku pada temperatur sekitar C, untuk dibentuk produk paduan Al78Si22 squeeze casting dengan penekanan sistem hidrolik 75 Mpa dan variasi temperatur dies 410, 450, dan C. Pengujian bahan paduan Al78Si22 sifat mekanis meliputi uji kekerasan dengan alat hardness Brinell tester dan pengamatan struktur mikro dengan alat mikroskop optik. Hasil analisis strukturmikro permukaan memperlihatkan bahwa strukturmikro produk squeeze casting paduan Al78Si22 cukup homogen. Hasil uji kekerasan menunjukkan bahwa nilai kekerasan meningkat dengan kenaikan temperatur dies dari 74,1-87,5 kg/mm 2, hal ini disebabkan dendrit silikon eutektik menyebar ke batas butir paduan Al78Si22. Kata kunci: paduan Al78Si22, strukturmikro, uji kekerasan, squeeze casting. ABSTRACT ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES AND PRODUCTS ON ALLOY Al78Si22 MICROSTRUCTURE SQUEEZING CASTING METHOD. Analysis of mechanical properties and microstructure of the alloy product Al78Si22 result means squeezing casting foundry. Al78Si22 alloy can improve the quality of engine performance in power plant engineering industry. Aluminum and silicon with a purity above 99% for alloy Al78Si22. Dissolution of Al and Si in the furnace at a temperature of about C, to be formed Al78Si22 squeeze casting alloy products with emphasis on hydraulic system 75 Mpa and temperature variation dies 410, 450, and C. Testing of mechanical properties of alloy Al78Si22 hardness test Brinell hardness tester with the instrument and observation of microstructure by means of optical microscope. Results of analysis showed that the microstructure of the surface microstructure of squeeze casting alloy products Al78Si22 quite homogeneous. Hardness test results show that hardness values increase with increasing temperature dies from 74.1 to 87.5 kg/mm 2, this is due to dendritic silicon eutectic alloy grain boundaries spread into Al78Si22. Keywords: Al78Si22alloy, microstructure, hardness test, squeezecasting. 1. PENDAHULUAN Pengecoran squeeze adalah proses pengecoran dengan cara logam cair dibekukan di bawah tekanan tinggi diantara cetakan dan plat hidrolik yang tertutup. Proses ini pada dasarnya mengkombinasikan keuntungan dari proses tempa dan pengecoran [1]. Proses pengecoran squeeze merupakan metode pengecoran yang mudah diterapkan, ekonomis, efisien dalam penggunaan bahan baku dan bisa berproduksi tinggi dengan siklus terus menerus [2]. ISSN

2 Aluminium adalah material yang banyak sekali digunakan untuk konstruksi, mulai dari sepeda, otomotif, kapal laut hingga pesawat udara. Keunggulan material aluminium adalah berat jenisnya yang ringan dan kekuatannya yang dapat ditingkatkan sesuai dengan kebutuhan. Kekuatan aluminium biasanya ditingkatkan dengan cara paduan (alloying) dan memberi perlakuan panas (heat treatment). Kebanyakan material aluminium ditingkatkan kekuatannya dengan suatu mekanisme penguatan bahan logam yang disebut precipitation hardening. Dalam precipitation hardening harus ada dua fasa, yaitu fasa yang jumlahnya lebih banyak disebut matriks dan fasa yang jumlahnya lebih sedikit disebut precipitate. Mekanisme penguatan ini meliputi tiga tahapan, yaitu a). solid solution treatment: memanaskan hingga diatas garis solvus untuk mendapatkan fasa larutan padat yang homogen, b). quenching: didingan dengan cepat untuk mempertahankan struktur mikro fasa padat homogen agar tidak terjadi difusi, dan c). aging: dipanaskan dengan temperatur tidak terlalu tinggi agar terjadi difusi fasa alpha pada jarak pendek membentuk precipitate. Paduan aluminium merupakan material utama yang saat ini digunakan industri pesawat terbang komersial. Aluminium dipilih karena memiliki sifat ringan dan kekuatannya dapat dibentuk dengan cara dipadu dengan unsur lain. Permasalahan yang dihadapi adalah pemilihan jenis unsur apa yang akan dipadu dengan aluminium untuk mendapatkan karakteristik material yang dibutuhkan. Unsur paduan yang ditambahkan dan perlakuan panas (heat treatment) yang diberikan pada aluminium selama pemrosesan sangat mempengaruhi sifat paduan aluminium yang dihasilkan. Awalnya paduan aluminium dikembangkan dengan tujuan mendapatkan material yang kuat dan ringan. Namun, seiring dengan berkembangnya kebutuhan struktur pesawat udara komersial dengan ukuran yang semakin besar, material yang dibutuhkan tidak hanya kuat dan ringan saja. Dewasa ini paduan aluminium dikembangkan untuk mendapatkan material yang kuat, ringan, usia pakai yang lama, biaya produksi rendah, toleransi kegagalan tinggi, dan tahanan korosi yang baik. Paduan Alumunium merupakan bahan yang banyak digunakan untuk aplikasi teknik karena memiliki beberapa keunggulan sifat yaitu: ringan, tahan karat, ulet, mampu permesinan yang baik dan lain sebagainya. Selain itu, paduan aluminium kekuatan tinggi seperti Al-7075, 7050, dan 2024 yang banyak dipakai pada struktur pesawat terbang memiliki kekurangan dan keterbatasan, khususnya pada kombinasi kekuatan dan tahanan retaknya. Sebagai contohnya paduan Al-7075 memiliki ketahanan yang buruk terhadap korosi jenis exfoliation dan stress-corrosion-cracking (SCC), khususnya jika mengalami perlakuan panas T6. SCC adalah retak merambat yang terjadi pada lingkungan korosif karena adanya tegangan. Pada Al-7075, tahanan terhadap SCC dapat ditingkatkan melalui overaging misalnya dengan memberi perlakuan panas T73. Perlakuan panas T73 merupakan perlakuan panas dengan two stage aging, yaitu pada temperatur konstan 121 o C dan konstan 171 C. Namun, pemberian perlakuan panas T73 dapat menurunkan kekuatan hingga % dari kekuatan maksimum yang dapat dicapai melalui perlakuan panas T6. [3,4] Solusi untuk meningkatkan tahanan SCC dan tahanan retak (fracture toughness) dengan tetap mempertahankan kekuatan dari perlakuan panas T6 adalah dengan menerapkan Retrogression dan reaging (RRA) adalah suatu cara baru perlakuan panas (heat treatment) yang diterapkan pada paduan aluminium yang mengalami precipitation hardening. Retrogression and Reaging (RRA) dapat dilakukan dengan tahap-tahap berikut: 1. Solution heat treatmment pada temperatur 470 C 2. Quenching pada temperatur ruang 3. Artificial aging selama 24 jam pada temperatur 120 C ISSN

3 4. Retrogression, yaitu pemanasan singkat (sekitar 40 menit) pada temperatur tinggi ( C) 5. Quenching, kemudian Re-aging seperti pada T6, yaitu dengan temperatur 120 C selama 24 jam. Dimana langkah 1 s/d 3 adalah tahapan pada perlakuan panas T6. Prosedur di atas menunjukkan bahwa material yang dihasilkan memiliki sifat kekutan tarik dan tahanan retak material yang sama dengan hasil perlakuan panas T6, namun dengan tahanan stresscorrosion-cracking yang meningkat. Namun demikian, RRA tidak hanya meningkatkan kekuatan material, tetapi konduktivitas elektrik material juga meningkat seiring bertambahnya waktu retrogression. Hasil eksprerimen menunjukkan konduktivitas elektrik meningkat secara proporsional terhadap tahanan Surface Cracking Corrosion (SCC) ketika dilakukan aging seperti pada perlakuan panas T6 [3,4]. RRA heat treatment saat ini dipakai dalam pengembangan beberapa paduan aluminium, antara lain adalah seri 7150 dan Teknologi pengecoran konvensional dalam industri kecil penghasil spare-parts motor perahu sungai masih mengunakan cara tradisional dan memerlukan perbaikan kualitas/ kuantitas. Keausan (wearness) dan surface finishing komponen ini merupakan kecenderungan kegagalan pengecoran dengan metode tradisional (sand casting). Kekurangan ini dapat diperbaiki dengan penerapan teknik pengecoran cara perah (squeeze casting), tanpa merubah parameter bahan yang digunakan. Salah satu paduan alumunium yang dimanfaatkan sebagai bahan komponen produk ini adalah paduan alumunium silikon (AlSi) [5]. Paduan ini termasuk kategori non-heat treatable alloy, yaitu paduan yang tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas. Tetapi kehadiran unsur seperti Cu dan Mg yang membentuk presipitat CuAl2 dan MgSi, menyebabkan paduan ini dapat dikeraskan dengan perlakuan panas [5,6]. Perlakuan ini dimaksudkan agar presipitat tersebar merata, untuk meningkatkan kekerasan bahan. Perekayasaan dengan teknik squeeze pada produk coran berbasis paduan alumunium mampu menambah keunggulan dengan biaya murah. Teknik ini dapat meningkatkan densitas atau menurunkan porositas dan menghasilkan kehomogenan strukturmikro. Dengan data parameter proses tertentu [5,6], penerapan teknik ini diharapkan mampu memperoleh produk coran dengan sifat-sifat yang diinginkan, dan bisa dikembangkan lebih lanjut dengan kualitas yang lebih baik. Makalah ini merupakan studi terhadap teknik pembuatan paduan AlSi metode sqeeze casting. Pengamatan strukturmikro permukaan dan kekerasan bahan dilakukan untuk melihat perbaikan mutu produk akhir dari teknik pembuatan atau perekayasaannya. 2. METODOLOGI 2.1. Bahan dan Alat Bahan Bahan ingot alumunium kemurnian 99,99%, silikon kemurnian 99,9%, dan nikel 98%, serta bahan-bahan untuk metalografi lengkap Alat 1. Alat pengecoran squeeze 2. Furnace (Thermoline) 3. Mikroskop Optik (Nikon) 4. Alat uji kekerasan metode Brinell. 5. Timbangan analitik. ISSN

4 2.2. Tata Kerja Pembuatan spesimen diawali dengan pemanasan dapur induksi furnace (Thermoline) dan penimbangan berat ingot yang akan dimasukkan kedalam cawan tuang. Sampel dilelehkan kembali pada temperatur 700 C-800 C selama lebih kurang 3 jam. Cairan logam dalam tungku tersebut sesekali diaduk-aduk agar ke-enceran merata dan slug dipisahkan agar mudah dituangkan dalam dies terpasang. Dies ini dipanaskan pada variasi temperatur dari 410, 450, dan 490 C. Pembuatan produk dengan memberi beban penekanan dan waktu tunggu tertentu. Mekanisme penekanan dalam pembuatan spesimen diilustrasikan dalam Gambar 1. Setelah proses pendinginan, spesimen ini kemudian dilakukan pengujian sifat mekanis (uji kekerasan dengan alat hardness tester metode Brinell, dan uji tarik dengan mesin uji tarik serba guna) dan pengamatan struktur mikro dengan alat mikroskop optik. Perolehan data strukturmikro dan kekerasan bahan dibandingkan dengan hasil karakterisasi awal produk, untuk melihat perbaikan kualitas dan kemungkinan pengembangan produk. Metode Tabel 1. Sampel dan parameter proses Kode Sampel Temperatur Dies ( C) Pressure (MPa) Waktu (detik) Squeeze Casting SSQ SSQ SSQ Gambar 1. Mekanisme Manual Press Pembuatan Spesimen 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Analisis kekerasan Data hasil pengujian kekerasan bahan paduan Al78Si22 dapat dilihat pada Tabel 2. Berdasarkan literatur [1] pengamatan komposisi dengan alat EDS bahan spare-parts yang diuji mengandung unsur-unsur (%berat): Al(77,61), Si(21,34), dan Ni(0,05). Paduan ini termasuk hipereutektik [1], dimana jumlah kandungan unsur silikon lebih dari 12,5%, yang memiliki kekerasan cukup baik sebagai bahan produk motor perahu sungai dan komponen lain. Produk ini harus memiliki ketahanan penetrasi penekanan secara permanen. ISSN

5 Pengujian kekerasan produk paduan Al78Si22 menggunakan metode Brinell berbeban konstan 10 kg dan indentor berdiameter 1 mm dari bahan tungsten/baja karbida dengan waktu penekanan antara detik (standar DIN ) untuk maksud menghilangkan kekenyalan logam. Angka kekerasan Brinell dihitung dengan perumusan: Brinell Hardness Number (BHN) = (2P/ D)/{D-(D 2 -d 2 ) ½ } kg/mm 2 (1) dimana: P(kg) = gaya, D(mm = diameter indentor dan d(mm) = diameter cekungan penekanan. Hasil pengukuran spesimen uji kekerasan produk yang dicor dengan cara squeeze menampilkan angka yang meningkat seiring peningkatan temperatur pengecoran. Tabel 2. Data hasil uji kekerasan metode Brinell paduan Al78Si22 Nama sampel d rerata BHN (mm) (kg/mm 2 ) SSQ1 (410 0 C) 0,406 74,1 SSQ2 (450 0 C) 0,386 82,1 SSQ3 (490 0 C) 0,375 87,5 Pengaruh penerapan tekanan selama proses solidifikasi berlangsung dalam pembuatan produk masih menunjukkan perbaikan nilai, walaupun perubahan tidak terlalu signifikan. Nilai ini dapat juga ditingkatkan dengan proses aniling-ageing (mendistribusikan presipitat) dan quenching (memperhalus butiran) [7]. Jika diamati lebih mendetail pengaruh temperatur dies sedikit muncul pada nilai kekerasan ini. Perbedaan temperatur 80 0 C memberikan perubahan angka kekerasan dari 74,1 kg/mm 2 ke 87,5 kg/mm 2. Hal ini disebabkan terbentuknya presipitat metastabil yang optimal, yang menghalangi pergerakan dislokasi. Temperatur dies selain mampu menjaga mampu alir cairan logam, juga berlaku seperti proses aniling bahan logam, yang mengembalikan bentuk butiran strukturmikro ke bentuk asal, sehingga bahan lebih lunak. Kenaikkan nilai kekerasan ini juga dilakukan oleh peneliti dahulu, yang mengatakan bahwa pengaruh tekanan dan temperatur die proses squeeze casting terhadap kekerasan dan struktur mikro pada paduan AlSi dapat memperbaiki kekerasan sebesar 5,29% setelah dilakukan perlakuan panas T6 [6].. Pada piston asli dari paduan AlSi mempunyai nilai kekerasan 76HRB. Hasil ini juga diperkuat peneliti terdahulu, menunjukkan bahwa pengaruh heat treatment pada paduan AlSi dengan waktu tahan 5 jam dan temperatur solution treatment C dilanjutkan perlakuan aging pada temperatur C dengan waktu tahan 9 jam mampu menaikkan nilai kekerasannya hingga 65% [6] Analisis pengamatan strukturmikro Pengamatan strukturmikro dimaksudkan untuk memperoleh gambaran makroskopis dan mikroskopis struktur permukaan produk spare-parts yang telah dibuat. Pekerjaan ini meliputi persiapan spesimen melalui tahapan: pemotongan, mounting, grinding, polishing dan peng-etsa-an sebelum bahan ditempatkan dibawah lensa obyektif Mikroskop Optik. ISSN

6 Si Al Si Al A. B. Gambar 2. Strukturmakro Produk Squeeze Casting Paduan Al78Si22 Pada Temperatur 880 C A. Pembesaran 12X, dan B. Pembesaran 25X Gambar 2 memperlihatkan strukturmakro permukaan produk paduan Al78Si22 perbesaran 12x (A), pembesaran 25X (B) dengan metode squeeze casting. Pola nodles silikon (berwarna hitam lebih gelap) dalam matriks aluminium yang membentuk dendrit-dendrit panjang tersebar merata, teramati pada permukaan produk. Tidak ditemukan porositas dipermukaan produk cor dengan teknik pengecoran squeeze ini. Apabila terdapat porositas, hal ini disebabkan oleh dua jenis yaitu porositas penyusutan dengan bentuk tidak teratur dan porositas gas berbentuk lingkaran. Namun porositas ditinjau dari ukuran ada dua, yaitu porositas makro dan mikro. Porositas penyusutan dengan bentuk tidak teratur ini disebabkan oleh ketidakmampuan/kekurangan silikon eutektik untuk menetralkan penyusutan dan kontraksi panas (deformasi) selama proses pembekuan. Selama pembekuan terjadi proses feeding dimana silikon eutektik yang terbentuk akan melingkungi butir dendrit dan bersirkulasi ke semua sistem struktur. Si Al Al Si Al Si A. B. C. Gambar 3. Strukturmikro Produk Paduan Alsi Dengan Pembesaran 100X, Hasil Squeeze Casting: A) SSQ1, B).SSQ2, dan C). SSQ3, Pembesaran 200X. Bagian dari struktur yang tidak terisi atau dialiri silikon eutektik akan muncul sebagai porositas penyusutan. Kekosongan ini disebabkan oleh tiga hal yaitu: 1) silikon eutektik yang terbentuk sedikit (sehingga tidak mampu mengisi semua rongga yang ada), 2) Sulitnya logam cair mengalir dalam struktur dendritik pada rongga cetakan yang kecil, 3) proses pembekuan logam cair yang terjadi dalam waktu yang bersamaan, sehingga proses feeding saat proses pembekuan tidak terjadi. Opsi ini memungkinkan untuk terjadinya porositas penyusutan yang akan menjadi inisial retak. Selain itu temperatur tuang dan cetakan yang tinggi akan mengakibatkan pembekuan lambat, sehingga tersedia teganganregangan penyusutan dan kontraksi panas yang besar untuk perkembangan retak panas ISSN

7 intergranular. Retak panas ini berkembang dengan arah tidak beraturan dan membentuk cabang-cabang mengikuti silikon eutektik pada batas butir dendrit Al-Si. Peningkatan komposisi silikon akan meningkatkan jumlah silikon eutektik dan memperbesar kemampuan feeding saat pembekuan, hal ini akan menurunkan kemungkinan munculnya retak panas intergranular, transformasi dan penjalaran retak panas. Jika jumlah silikon dalam paduan Al-Si semakin besar, maka panjang retak panas intergranular dan indeks retak panas yang dihasilkan akan semakin kecil. Perbedaan temperatur dies juga diperlihatkan pada strukturmikro produk paduan Al78Si22 squeeze casting pada Gambar 3. Gambar 3A-C, diambil dengan pembesaran 100x yang memperlihatkan dua fenomena penyebaran dendrit-dendrit silikon yang cukup kentara. Gambar 3(A) merupakan strukturmikro SSQ1 dengan temperatur dies 410ºC dan Gambar 3(B) merupakan strukturmikro SSQ2 dengan temperatur dies sekitar 450ºC dimana dendrit silikon terdistribusi menutupi seluruh permukaan yang memungkinkan ujung indentor bola Brinell menekan daerah yang angka kekerasannya ada sedikit beda. Namun Gambar 3(C) merupakan strukturmikro SSQ3 pembesaran 200x dengan temperatur dies sekitar 490ºC memperlihatkan dendrit silikon eutektik menyebar terlokalisasi dimana propabilitas indenter menemukan angka kekerasan yang berbeda cukup signifikan dibanding temperatur dies 410 C. Struktur mikro bergantung pada jumlah unsur dalam paduan. Struktur mikro paduan alumunium-silikon bergantung pada jumlah kandungan silikon dalam alumunium. Paduan hypo-eutectoid alumunium-silikon terdiri dari fase utama alumunium dengan fiber silikon terdistribusi pada matrik alumunium. Sedangkan pada struktur mikro paduan hypoeutectoid alumunium-silikon, fasa silikon terbentuk sebagai fasa utama partikel-partikel campuran dan fiber silikon. Dari prediksi perhitungan apparent density dan true density yang diperoleh [5,6]. Bahwa penerapan tekanan dalam proses squeeze casting memperlihatkan penurunan yang signifikan. Pemeriksaan produk AlSi sand casting terhadap kuantitas porositas bahan sebesar 1,48%, dengan penerapan teknik squeeze mampu diturunkan menjadi 0,237% pada tekanan 135 Mpa, dimana penyusutan volume akibat penerapan tekanan yang ditahan selama pembekuan ini menunjukkan adanya proses memampatkan logam yang dapat meminimasi kuantitas porositas atau ruang-ruang kosong yang ditinggalkan oleh keterbatasan mampu alir cairan logam [7,8]. 4. KESIMPULAN Berdasarkan analisis data hasil penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Temperatur dies dapat mempengaruhi nilai kekerasan dan strukturmikro pada produk paduan Al78Si Teknik squeeze casting nyata sekali mampu meningkatkan sifat strukturmikro dan kekerasan paduan Al78Si22 ini. Hal ini disebabkan terbentuknya presipitat metastabil yang optimal, yang menghalangi pergerakan dislokasi. DAFTAR PUSTAKA [1] PURWANTO, H., Pengaruh temperatur tuang pada pengecoran squeeze terhadap sifat fisis dan mekanis Paduan AlSi, Thesis S2, Teknik Mesin, UGM, [2] http: // diakses tanggal 12 Januari [3] HABIBIE,B.J., Strategi Pengembangan Industri, disampaikan pada berbagai Kesempatan Seminar nasional [4] DJOKO SUHARTO, Pengembangan SDM untuk industri, Orasi Ilmiah di Sidang Senat ITB ISSN

8 [5] MUDJIJANA & HADRIZAL, Analisis Kualitas Produk Gokart dari Paduan Alumunium, Prosiding Pertemuan Ilmiah 1997, PPSM-BATAN, Jakarta, pp , [6] DUSKIARDI, Pengaruh Parameter Proses Terhadap sifat Mekanik dan Strukturmikro Produk Squeeze Casting, Tesis Proram Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik UI, Jakarta [7] FIRDAUS,, Perancangan Proses Squeeze Casting untuk Perngembangan Flens Motor Sungai Tesis Proram Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik UI, Jakarta [8] EL. MAHALLAWY N.A., TAHA M.A. and M. LOTFI ZAMZAM, Journal of Materials Processing Technology; On the microstructure and mechanical properties of squeeze cast Al-7 wt%si alloy, Vol DISKUSI 1. Pertanyaan dari Sdr. Wahri S. (Univ.Bangka Belitung) Mengapa pada penelitian ini, penambahan unsur silikon dapat menambah sifat mekanik paduan tersebut? Jawaban : Karena saat penambahan unsur silikon, terjadi peningkatan komposisi silikon, hal ini akan meningkatkan jumlah silikon eutektik dan memperbesar kemampuan feeding saat pembekuan, sehingga akan menurunkan kemungkinan munculnya retak panas intergranular, transformasi dan penjalaran retak panas. Selain itu, jika jumlah silikon dalam paduan Al-Si semakin besar, maka panjang retak panas intergranular dan indeks retak panas yang dihasilkan akan semakin kecil. Sehingga teknik squeeze casting nyata sekali mampu meningkatkan sifat strukturmikro dan kekerasan paduan Al78Si22 ini. Hal ini disebabkan terbentuknya presipitat metastabil yang optimal, yang menghalangi pergerakan dislokasi. ISSN