PENGARUH TEMPERATUR HOT-PRESS TERHADAP KARAKTERISTIK KOMPOSIT AC8A/SIC P

Transkripsi

1 PENGARUH TEMPERATUR HOT-PRESS TERHADAP KARAKTERISTIK KOMPOSIT AC8A/SIC P H. Sulaikan 1, T. Mustika 2, I.N. Jujur 3 Pusat Teknologi Material BPPT Gedung 224, Kawasan Puspiptek Tangerang Selatan Banten Naskah diterima 1 Agustus 2013; direvisi 20 Agustus 2013; disetujui terbit 29 Agustus 2013 Abstract Formulated a simple process to become easier in application of composites fabrication was the main background of this research. In this research, we investigate how far hot forming mechanism in open air is affecting to mechanical properties of composite made from aluminium alloy powder reinforced by SiC particles. The raw material of composites consists of AC8A flakes that have been reduced in particle size as a matrix, which added 20% volume SiC particles as reinforcement. AC8A/SiCp composites made by hot-press pressure of 425 MPa at a temperature variation which is 360 C, 380 C, 400 C and 430 C in unconditioned air. Density measurements and Vickers hardness test have been done to see the effect of temperature on the characteristics of composite AC8A/SiCp. Matrix hardness values increased with increasing temperature up to 400 C and decreased at 430 C, while the density and hardness value of the composite increased with increasing temperature. Keywords : aluminium matrix composites, unconditioned air hot-press, hot-press temperature EFFECT OF HOT-PRESS TEMPERATURE ON CHARACTERISTIC OF AC8A/SIC P COMPOSITES Abstrak Perencanaan suatu proses produksi sederhana yang mudah diaplikasikan merupakan latar belakang dari riset ini. Pada riset ini dipelajari sejauh mana mekanisme pembentukan bahan dengan proses hot press metalurgi serbuk di lingkungan udara yang tidak dikondisikan berpengaruh terhadap karakteristik Aluminium Matrix Composites (AMCs). Komposit terbuat dari serpihan AC8A cor yang di haluskan sebagai matrik dan 20% V f partikel SiC sebagai penguat. Komposit AC8A/SiC p dibuat dengan tekanan hot-press sebesar 425 MPa pada beberapa variasi temperatur yaitu 360 C, 380 C, 400 C dan 430 C di lingkungan udara yang tidak dikondisikan. Dilakukan pengukuran densitas dan uji kekerasan Vickers untuk melihat pengaruh temperatur terhadap karakteristik komposit AC8A/SiC p. Nilai kekerasan matrik meningkat seiring dengan peningkatan temperatur hingga 400 C dan menurun pada 430 C, sedangkan densitas dan nilai 78 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84)

2 1. PENDAHULUAN kekerasan komposit meningkat seiring dengan peningkatan temperatur. Kata kunci : komposit matrik aluminium, hot-press di lingkungan udara yang tidak dikondisikan,temperatur hot-press. Pengembangan Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites / MMCs) menjadi salah satu inovasi utama di bidang material pada 25 tahun terakhir. Logam-logam ringan yang diperkuat partikel penguat telah menjadi perhatian para produsen bahan dan pengguna akhir karena keunggulan sifat fisik serta mekanik yang dicapai, serta dimungkinkan untuk melakukan modifikasi sifat fisik bahan membuat MMCs bermanfaat dalam berbagai aplikasi. Komposit Matrik Aluminium (Aluminium Matrix Composites / AMCs) adalah jenis komposit yang paling banyak diminati dengan tingginya rasio kekuatan-per-massa (strength-to-weight ratio) dengan dimungkinkan dilakukannya peningkatan kekuatan mekanik, ketahanan aus, ketahanan korosi serta penurunan koefisien ekspansi termal yang lebih besar dibanding material konvensional (Rohatgi, 2001, Das, 2004, Kumar et al., 2010, Neelima et al., 2011). MMCs dapat diproduksi menggunakan berbagai macam teknik. Dengan mengubah metode manufaktur seperti pemprosesan dan finishing, begitupula dari pemilihan geometri komponen penguat, memungkinkan diperolehnya karakteristik yang berbeda meskipun berasal komposisi dan jumlah komponen pembentuk yang sama (Kainer, 2006). Pada skala industri, proses produksi MMCs dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok mengacu pada fasa matrik pada saat dilakukan proses pembentukan yaitu proses pada fasa padat dan fasa cair (Kainer, 2006, Ramesh et al., 2010). MMCs isotropik yang diproduksi dengan proses metalurgi serbuk (Powder Metalurgy / P/M), menggunakan prinsip deformasi serbuk logam yang diperkuat komponen partikel penguat. Metode produksi komposit ini semakin berkembang sejalan dengan keuntungan dari proses P/M, seperti tingkat kepresisian yang tinggi terhadap dimensi produk sehingga memungkinkan pembuatan komponen mendekati bentuk akhir (near net shape), kemampuan pemprosesan logam-logam reaktif dan logam refractory untuk menghasilkan sifat yang tidak dapat dicapai melalui proses pengolahan logam konvensional, serta kemampuan dilakukannya rekayasa pemaduan yang memberikan terobosan baru dalam perancangan paduan komposit. Di sisi lain kekurangan utama dari metode P/M adalah biaya yang tinggi dimana komponen biaya terbesar adalah pada bahan baku yang mahal karena menggunakan bubuk pre-alloyed dengan sintesa khusus. Selain itu untuk komponen-komponen yang tidak langsung diproduksi mendekati bentuk akhir ataupun yang memerlukan proses sekunder seperti penempaan atau pemesinan khusus, akan mendapat permasalahan baru dalam pembentukan komponen keramik (Schaffer, 2004). Powder Metalurgy (P/M) dilakukan melalui beberapa tahapan yaitu penekanan dingin (cold pressing) dan dilanjutkan dengan proses sintering. Pada proses sintering dapat dilakukan secara simultan dengan kompaksi (uniaxial hot-pressing atau hot isostatic pressing). Hot-press dapat meningkatkan kualitas hasil cor, meningkatkan densitas komponen pra-sinter, serta meningkatkan ikatan antarmuka partikel. Hot-press menggabungkan tekanan tinggi dan suhu tinggi secara simultan di dalam wadah yang khusus. Di bawah panas dan tekanan, internal pori ataupun cacat di dalam material padat akan berdifusi. (Hong and Chung, 1995, _ Pengaruh Temperatur Hot-Press...(H.Sulaikan 1,T.Mustika 2,I.N.Jujur 3 ) 79

3 Ogel and Gurbuz, 2001, Zhang et al., 2011). Parameter proses yang perlu diperhatikan pada hot-press metalurgi serbuk antara lain : temperatur, ukuran partikel dan fraksi volume material penguat. Liu et. al. (1997) pada risetnya menemukan bahwa permukaan Al/SiC menjadi sangat reaktif pada temperature diatas 933 K dan reaksi solid-state antara matrik Al dan SiC skala nano terjadi pada temperatur 873 K. Gu (2006) menyatakan bahwa berdasarkan riset tersebut, temperature hot-press yang lebih rendah lebih berguna untuk meghindari terjadinya penggumpalan partikel SiC maupun reaksi antara Al dan SiC. Peningkatan temperatur hot-press akan menghasilkan kekerasan yang semakin tinggi. (Mustika et. al., 2011). Pada komposit 2009Al/ SiCp 15% V f, densitas relatif, tensile dan ductility meningkat seiring peningkatan temperatur hot-press hingga mencapai nilai optimal pada 580 ºC (Jin et. al., 2011). Pengaruh temperatur dan gaya geser yang tinggi pada proses ekstrusi dapat mengakibatkan terjadinya pengecilan butir SiC akibat keretakan partikel maupun sifat tidak mampu berdeformasi dari SiC. (Jonathan et. al., 2005). Pada riset ini dipelajari sejauh mana pembentukan bahan dengan metode hot-press metalurgi serbuk pada beberapa temperatur, berpengaruh terhadap sifat mekanis komposit matrik aluminium. Riset ini dilakukan dengan tujuan untuk menyederhanakan metode pembuatan bahan yang selama ini dikenal hanya dapat dilakukan dengan pengkondisian udara yang menggunakan alat yang membutuhkan investasi yg tinggi seperti hot-press dalam kondisi vakum. Melalui riset ini ditunjukkan bahwa hasil pembuatan komposit yang baik dapat dilakukan dengan menggunakan metode dan peralatan yang cukup sederhana. 2. BAHAN DAN METODE Komposit dibuat menggunakan bahan baku serbuk AC8A cor yang di haluskan sebagai matrik dan partikel keramik SiC sebanyak 20% V f sebagai penguat. Hasil pencampuran kedua partikel ini diproses menjadi komposit menggunakan peralatan hot-press. Skema sistem peralatan hot-press diperlihatkan pada gambar 1 dan diagram alir tahapan riset diperlihatkan pada gambar 2. Gambar 1. Skema sistem peralatan hot-press Preparasi Bahan (Serbuk AC8A dan Partikel SiC) Pencampuran Bahan (AC8A + SiCp 20 % V f) Pembentukan Greenbody (T=suhu kamar, P=50 MPa) Penekanan Suhu Panas ( Hot Press ) T CETAKAN LOGAM, P=425 MPa, t=5 menit Uji kekerasan Pemanasan Tanpa Tekanan (T holding = 5 menit) Pengukuran Densitas Analisa 80 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84

4 Gambar 2. Diagram alir riset komposit AC8A/SiC p Campuran serbuk AC8A dan SiC dipadatkan di dalam cetakan logam dengan diberi tekanan satu arah (single compaction) sebesar 50 MPa pada suhu kamar. Cetakan logam berisi bahan komposit dipanaskan didalam furnace terbuka dengan variasi temperatur yaitu 360, 380, 400 C dan 430 C dengan tekanan hot-press 425 MPa selama 5 menit dan dilanjutkan pemanasan 5 menit berikutnya tanpa diberikan tekanan. Seluruh proses dilakukan di lingkungan udara yang tidak dikondisikan. Dilakukan pengukuran densitas komposit dan uji kekerasan Vickers terhadap matrik dan komposit. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Nilai Kekerasan dan densitas komposit pengaruh 4 tingkat temperatur hot-press masing-masing 360ºC, 380ºC, 400ºC dan 430ºC disajikan pada Gambar 3. Pengukuran kekerasan dilakukan menggunakan mikro vickers untuk area matrik dan makro vickers untuk area komposit. hingga 400ºC nilai kekerasan matrik AC8A maupun komposit AC8A/SiC p meningkat bersama meningkatnya temperatur hot-press, hingga pada temperatur hot-press 400ºC dihasilkan kekerasan matrik AC8A sebesar 115±8 HVN dan kekerasan komposit AC8A/SiC p sebesar 151±51 HVN. Kenaikan nilai kekerasan komposit lebih tajam dibandingkan kenaikan nilai kekerasan matrik. Pembuatan komposit pada temperatur hot-press yang lebih tinggi yaitu 430ºC, menghasilkan komposit AC8A/SiC p dengan kekerasan yang lebih tinggi yaitu 171 ± 20 HVN, sementara disisi lain diperoleh kekerasan matrik yang lebih rendah yaitu 108 ± 5 HVN. Rekristalisasi diaktivasi oleh adanya termal dan tingkat rekristalisasi meningkat bersama meningkatnya temperatur. Tingkat rekristalisasi yang tinggi, menghasilkan tingkat nukleasi yang tinggi dan menyebabkan butir menjadi lebih halus (Olorunniwo et al., 2009). Fenomena demikian didapati pula pada hasil riset Mustika et al. (2011) dalam pembuatan komposit Aluminium murni yang diperkuat 20% SiC p, dimana komposit yang dibuat pada suhu tinggi menghasilkan butir yang lebih halus (gambar 4), serta hasil uji kekerasan menunjukkan bahwa komposit Al/SiC p yang dibuat pada suhu yang lebih tinggi memiliki kekerasan yang lebih tinggi. Melalui pengamatan struktur mikro pada perbesaran 1000x, menunjukkan pola aliran butir (grain flow pattern) pada area matrik. Grain flow pattern terbentuk lebih halus pada komposit aluminium yang dibuat dengan temperatur hot-press yang lebih tinggi. Gambar 3. Grafik pengaruh temperatur hot-press terhadap densitas dan kekerasan komposit AC8A/SiC p Pada rentang temperatur hot-press 330ºC _ Pengaruh Temperatur Hot-Press...(H.Sulaikan 1,T.Mustika 2,I.N.Jujur 3 ) 81

5 Micro Hardness, HV ( a ) Temperature, C (b) (c) Gambar 4. Struktur mikro Al/SiC p yang dibuat melalui proses hot-press metalurgi serbuk pada temperatur (a)330 C, (b)360 C (c) 430 C, dilingkungan udara yang tidak dikondisikan (Mustika et. al., 2011). Gambar 5. Kekerasan Vickers area matrik pada komposit Al/SiC p (Mustika et. al., 2011). Pada matrik AC8A nilai kekerasan tertinggi dicapai pada temperatur hot-press 400ºC, sedangkan pada temperatur hot-press 430ºC diduga butir-butir AC8A telah mengalami pembesaran sehingga kekerasan yang dihasilkan lebih rendah. Hasil pengukuran densitas komposit AC8A/SiC p menunjukkan semakin tinggi temperatur hot-press maka semakin tinggi densitas komposit, dimana densitas tertinggi dicapai pada komposit dengan temperatur hot-press 430 ºC sebesar 2.84 gr/cm 3, nilai ini relatif sama dengan nilai teoritis sebesar gr/cm 3. Hal ini menunjukkan bahwa 82 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84

6 proses densifikasi dengan temperatur yang lebih tinggi pada tekanan hot-press yang sama akan memberikan kepadatan yang lebih tinggi. Fenomena ini sesuai dengan analisis Pakdel et al. (2007) yang menyatakan bahwa temperatur yang lebih tinggi memberikan pengaruh terhadap sifat bahan yang menjadi semakin liat. Pada kondisi bahan yang lebih liat, dislokasi dan deformasi lebih mudah terjadi, sehingga densifikasi yang dapat dicapai akan lebih besar, menghasilkan densitas yang lebih tinggi. Dari hasil riset diatas dapat diketahui bahwa temperatur hot-press memberikan pengaruh terhadap kekerasan matrik dan kekerasan komposit. Densitas komposit yang lebih tinggi pada temperatur 430ºC dibandingkan 400ºC, diduga memiliki peranan terhadap peningkatan kekerasan komposit, dimana temperatur hot-press 430ºC yang menghasilkan kekerasan matrik yang lebih rendah, justru menghasilkan kekerasan komposit yang lebih tinggi. Peningkatan temperatur hot-press hingga 400ºC meningkatkan kepadatan struktur mikro, sehingga densitas meningkat dan cacat mikro berkurang, hal ini menaikkan nilai kekerasan komposit. Peningkatan temperatur hot-press hingga 430ºC mengakibatkan terjadinya pembesaran butiran matrik dan menurunkan kekerasan matrik. Pada komposit hasil riset ini, pada temperatur hot-press 430ºC kenaikan kekerasan komposit didominasi oleh kepadatan struktur mikro komposit, meskipun terjadi pembesaran butiran matrik. 4. KESIMPULAN Pada riset pembuatan komposit AC8A/SiCp dengan teknologi metalurgi serbuk metode hot-press di lingkungan tidak dikondisikan, dapat disimpulkan, perubahan temperatur hot-press memberikan pengaruh terhadap densitas dan kekerasan komposit AC8A/SiCp. Densitas komposit AC8A/SiCp meningkat seiring dengan peningkatan temperatur hot-press. Pada 430ºC nilai densitas komposit relatif sama dengan nilai densitas teoritis. Kekerasan matrik meningkat seiring dengan peningkatan temperatur, dan menghasilkan nilai kekerasan tertinggi pada 400ºC dan terjadi penurunan pada 430ºC. Kekerasan komposit meningkat seiring dengan peningkatan temperatur, dan menghasilkan nilai kekerasan tertinggi pada 430ºC. DAFTAR PUSTAKA Das, S., Development Of Aluminium Alloy Composites For Engineering Applications. Trans. Indian Inst. Met. Vol.57, No. 4, August 2004, Gu, W.L., Bulk Avsic Nanocomposite Prepared By Ball Milling And Hot Pressing Method. Trans. Nonferrous Met. SOC. China, 16 (2006), Hong, S.H., Chung, K.H., Effects of Vacuum Hot Pressing Parameters on The Tensile Properties And Microstructures of SiC A1 Composites. Materials Science and Engineering, A194, 1995, Jin, P., Xiao, B., Wang, Q., Ma, Z., Liu, Y., & Li, S., Effect of Hot Extrusion on Interfacial Microstructure and Tensile Properties of SiCp/2009Al Composites Fabricated at Different Hot Pressing Temperatures. J. Mater. Sci. Technol., 27(6), 1995, Jonathan, E., Spowart, Maruyama, B., Methode for Improving Tensile Properties oc Al/SiC Composites, USA, (2005).. Kainer, K.U., Metal Matrix Composites. Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering. Wiley-VCH. Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Kumar, G.B.V., Rao, C.S.P., Selvaraj, N., & Bhagyashekar, M.S., Stucetakan on _ Pengaruh Temperatur Hot-Press...(H.Sulaikan 1,T.Mustika 2,I.N.Jujur 3 ) 83

7 Al6061-SiC and Al7075-Al 2 O 3 Metal Matrix Composites. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol. 9, No.1, 2010, Mustika, T., Soegiyono, B., & Jujur, I.N., Microstructure and Properties of Open Air Hot Pressed Al/SiC p Composites. Paper presented at the 1 st International Conference on Materials Engineering (ICME) and 3nd AUN/SEED-Net Regional Conference on Materials (RCM) Yogyakarta Indonesia, February 2-3, 2011, Liu, Z.Y., Sercombe, T.B., Schaffer, G.B., The Effect of Particle Shape on the Sintering of Aluminum. Metallurgical And Materials Transactions A, Volume 38 A, June 2007, Neelima, D., Mahesh, V., & Selvaraj, N., Mechanical characterization of Aluminium silicon carbide composite. International Journal of Applied Engineering Research, Dindigul, Volume 1, No 4, 2011, Ogel, B. & Gurbuz. R., Microstructural characterization and tensile properties of hot pressed Al SiC composites prepared from pure Al and Cu powders. Materials Science and Engineering, A301, 2001, Olorunniwo, O.E., Atanda, P.O., & Akinluwade, K.J., Effects of Variation of Some Process Variables on Recrystallization Rate of Aluminium Alloy (6063). Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol. 8, No.1, 2009, Pakdel, A., Rahmanifard, R., Farhangi, H., & Emamy, M., Effect of Hot Extrusion Temperature on Particle Breakage And Fractography of Silicon Carbide Reinforced Al-6061 Alloy Composite Materials. Paper Presented at the 8th International Fracture Conference, Istanbul Turkey,, November 7 9, 2007, 1-8. Ramesh, T. Prabhakar,M., Narayanasamy, R., Workability Stucetakan On Al-20%SiC Powder Metallurgy Composite During Cold Upsetting. Advanced in Production Engineering and Management 5, 2010, Rohatgi, P., Cast Metal Matrix Composites: Past, Present and Future. American Foundry Society Transactions, 01,133, 2001, Schaffer, G.B., Powder Processed Aluminium Alloys. Institute of Materials Engineering Australasia, Materials Forum, Volume 28, 2004, Zhang, Q., Xiao, B.L., Liu, Z.Y., & Ma, Z.Y., Microstructure Evolution and Elemental Diffusion of SiCp/Al Cu Mg Composites Prepared from Elemental Powder During Hot Pressing. J Mater Sci, 46, 2011, Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84