PENGARUH PENAMBAHAN KOMPOSISI Al PADA PADUAN Fe-Ni-Al Effect of Additional Alloy Compostion AI in Fe-Ni-Al Dianasanti Salati Sekolah Tinggi Manajemen Industri Jakarta Tanggal Masuk: (19/7/2014) Tanggal Revisi: (26/7/2014) Tanggal disetujui: (1/8/2014) ABSTRAK Penelitian dilakukan untuk mengetahui bagaimana pengaruh penambahan komposisi Aluminium terhadap sifat paduan Fe-Ni-Al yang terjadi, yaitu kekerasan relatifnya (nilai kekerasan terhadap massa jenis) serta bagaimana pengaruh yang terjadi apabila dilakukan perlakuan panas (Heat Treatment). Prosedur penelitian yang dilakukan yaitu dengan mamadukan FeNi yang sudah tertentu komposisi paduannya, kemudian dilebur dengan menggunakan tungku busur listrik dengan massa total 20 gram. Komposisi paduan Fe Ni Al ditentukan dengan menggunakan Diagram Terner pada temperatur 950 0 C, sehingga pada pelaksanannya dilakukan perlakuan panas hingga mencapai 950 0 C. Kemudian dilakukan uji keras dan uji massa jenis yang kemudian dilakukan perbandingan antara komposisi satu dengan yang lainnya, dan dilihat juga perbandingan antara spesimen yang sudah dilakukan perlakuan panas dengan yang belum. Data-data yang didapat dari variasi komposisi penambahan Aluminium dan perlakuan panas dianalisis. Kata kunci: Paduan Fe Ni Al, perlakuan panas, diagram fasa terner. ABSTRACT The study was conducted to determine how the effect of the addition of aluminum to the nature of the alloy composition of Fe-Ni-Al that happens, the relative hardness (hardness value of the density) as well as the influences that occur when conducted heat treatment (heat treatment). The procedure is the research conducted by certain mamadukan already FeNi alloy composition, then melted by using an electric arc furnace with a total mass of 20 grams. Al Fe Ni alloy composition was determined using ternary diagram at 9500C temperature, so that the implementation is carried out heat treatment up to 9500C. Then test hardware and test the density of which is then carried out a comparison between the composition of each other, and see also the comparison between the specimens that have been done by the heat treatment yet. The data obtained from the variation of the composition of the addition of aluminum and heat treatment were analyzed. Keywords: Alloy Fe Ni Al, heat treatment, ternary phase diagrams. 1. PENDAHULUAN Penelitian ini dilatarbelakangi oleh kebutuhan pembuatan paduan Fe-Ni-Al yang bahan dasarnya berasal dari dalam negeri. Maksud penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas yang diberikan terhadap perubahan sifat yang terjadi apabila komposisi Aluminium pada paduan tersebut diubah. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui perubahan kekerasan yang terjadi antara paduan dengan berbagai komposisi Fe-Ni-Al yang belum dan yang sudah dilakukan perlakuan panas, serta massa jenis paduan. 137
J u r n a l T e k n o l o g i d a n M a n a j e m e n, V o l. 12, N o. 2, A g u s t u s 2014 LANDASAN TEORI Paduan Antar Logam (Intermetallic Compound) Intermetallic compound merupakan paduan kimia dengan komposisi atom tertentu, seperti pada senyawa FeAl dan NiAl yang sudah mempunyai komposisi tertentu. Ikatan yang terjadi pada paduan antar logam merupakan ikatan ionik atau kovalen, dan ikatan tersebut lebih kuat daripada ikatan logam sehingga ikatan yang terjadi merupakan ikatan yang sempurna, atomatomnya memposisikan diri pada tempattempat tertentu sehingga posisinya sangat teratur. Hal ini mengakibatkan titik lebur paduan tinggi, kekuatannya juga tinggi, bahkan pada temperatur tinggi. Secara umum sifatnya menyerupai keramik, tetapi dapat mengalirkan panas dan listrik dengan baik dan dapat diproses secara proses produksi logam konvensional biasanya. Aplikasi paduan FeAl Senyawa ini biasanya digunakan pada peralatan yang terpapar temperatur tinggi dan tahan korosi. Diagram Fasa Diagram fasa merupakan panduan dalam menentukan komposisi paduan dengan ketentuan temperatur transisinya. Diagram fasa juga memberikan indikasi pada daerah mana paduan tersebut akan stabil secara termodinamika, sehingga dapat diprediksi apakah paduan yang terbentuk akan tetap stabil pada temperatur tertentu dan dalam kurun waktu yang lama. Pada kenyataannya, hasil dari paduan yang dibuat akan jauh berbeda dengan diagram fasa, karena yang sering dijumpai adalah keadaan yang tidak sesuai dengan persamaan yang seharusnya. Hasil paduan bisa terjadi beberapa keadaan yaitu: (1) stabil, yaitu apabila benda berada pada kondisi energi yang paling rendah; (2) metastabil, yaitu keadaan dimana dibutuhkan energi lebih agar bisa mencapai keadaan stabilnya; (3) tidak stabil, keadaan ini akan menjadi stabil dengan sendirinya tanpa harus diberikan energi tambahan. Fasa adalah daerah atau bagian yang secara fisik homogen. Fasa metastabil akan terbentuk apabila dilakukan pendinginan yang cepat. Dengan melakukan pendinginan yang cepat, secara termodinamika juga akan terbentuk struktur yang tidak stabil. Dalam penelitian ini digunakan Diagram Fasa Terner Al-Fe-Ni pada temperatur 950 0 C. Proses Peleburan Spesimen Proses peleburan dilakukan menggunakan tungku resistansi listrik (electric arc furnace), benda kerja yang akan dilebur menjadi elektroda positif, yang dihubungkan dengan cawan (crucible) tembaga. Sedangkan elektroda negatifnya merupakan elektroda tungsten. Busur ini terjadi karena adanya perbedaan potensial yang akan menimbulkan loncatan elektron dari kutub negatif ke kutub positif, sehingga terbentuklah busur listrik (electric arc). Proses Perlakuan Panas Proses perlakuan panas dilakukan untuk menghasilkan fasa yang sesuai dengan Diagram Terner, yaitu pada temperatur 950 0 C. Tahap Pemanasan Proses ini dilakukan agar menghasilkan temperatur yang seragam pada spesimen. Apabila temperatur yang dihasilkan tidak merata, maka salah satu bagian spesimen akan memuai lebih cepat daripada bagian 138
D i a n a s a n t i S a l a t i, P e n g a r u h P e n a m b a h a n... lainnya, sehingga akan menghasilkan distorsi atau retak. Agar didapatkan hasil yang merata, maka pemanasan dilakukan dengan cara mengatur laju pemanasan agar tidak terlalu cepat. Bentuk dan ukuran logam yang akan dilakukan perlakuan panas juga akan berpengaruh terhadap laju pemanasan yang diterima. Bagian yang mempunyai penampang yang besar, akan lebih baik jika diberi laju pemanasan yang lambat agar bagian dalam spesimen juga akan menerima panas sama seperti pada permukaannya, sehingga terhindar dari retak. tegak lurus terhadap permukaan cetakan searah dengan aliran panas menuju dinding cetakan. (3) Pembekuan akhir terjadi pada daerah yang paling jauh dengan dinding cetakan dimana tersisa cairan dan padatan, akan terbentuk butiran-butiran seperti pada daerah chill namun ukurannya lebih besar dan berbentuk ekuiaksial dengan orientasi acak. Hal ini disebabkan oleh pendinginan yang relatif lambat. Daerah ini disebut daerah ekuiaksial. Tahap Penahanan Setelah logam dipanaskan sampai temperatur tertentu, kemudian ditahan pada temperatur tersebut sampai struktur baru yang lebih homogen terbentuk. Lamanya penahanan tergantung dari analisis kimia pada logam dan massa logam yang dipanaskan. Tahap Pendinginan Setelah logam ditahan pada temperatur tertentu logam harus dikembalikan pada temperatur kamar, agar proses perlakuan panas ini lengkap. Laju pendinginan pada logam biasanya menggunakan media pencelupan (quench) air atau oli. Tahap Pembekuan Pembekuan akan terjadi setelah spesimen mulai dilakukan proses pendinginan. Tahap pembekuannya adalah (1) Pada bagian dasar yang bersentuhan dengan dinding cetakan akan terbentuk lapisan chill yang berbentuk ekuiaksial. Hal ini disebabkan oleh laju pendinginan yang relatif cepat pada daerah dinding cetakan. (2) Daerah kolumnar. Daerah ini berstruktur memanjang, kasar dan pertumbuhannya 139
J u r n a l T e k n o l o g i d a n M a n a j e m e n, V o l. 12, N o. 2, A g u s t u s 2014 2. METODOLOGI Prosedur penelitian yang dilakukan adalah: Ni sudah tertentu, sehingga kita tinggal menentukan komposisi Aluminium saja. Persiapan spesimen Pemilihan komposisi paduan (Diagram Terner) Penentuan % berat komposisi paduan Peleburan paduan Pemotongan spesimen as cast Karakterisasi: SEM-EDAX XRD as Heat Treatment Pengujian: Kekerasan densitas Gambar 2. Diagram Fasa Terner Fe-Al-Ni 950 0 C Setelah didapat komposisi yang diinginkan, kemudian dikonversikan menjadi massa sebenarnya dari logam yang akan dilebur, dengan massa total paduan adalah 20gram. analisa Gambar 1. Proses Penelitian Persiapan Spesimen Spesimen awal berupa paduan FeNi yang berasal dari Soroako, Sulawesi. Setelah dilakukan karakterisasi menggunakan EDAX, didapat komposisi Fe- Ni adalah 72,48% berat Fe dan 27,52% berat Ni. Dimensi FeNi kira-kira 3mm sampai 6mm. Sedangkan Aluminium didapat dari INALUM dengan kadar 99,9% dengan dimensi sekitar 10mm berupa bongkahan tipis. Peleburan Paduan Spesimen dilebur menggunakan tungku busur listrik dengan gas pelindung Argon agar terlindungi dari oksida. Peleburan dilakukan pada temperatur 1500 0 C sesuai dengan Diagram Terner liquidus sehingga spesimen melebur sempurna. Pemilihan Komposisi Paduan Pemilihan komposisi ini dilihat dari Diagram Terner pada 950 0 C, karena Diagram Terner yang didapat dari literatur adalah pada 950 0 C dengan komposisi Fe dan Gambar 3. Diagram Terner Liquidus Fe-Al- Ni 140
D i a n a s a n t i S a l a t i, P e n g a r u h P e n a m b a h a n... Peleburan spesimen dilakukan dengan membalik-balikkannya sampai empat kali agar paduan yang dihasilkan diharapkan homogen. Perlakuan Panas Spesimen dipotong menggunakan wire cut, sebagian langsung dikarakterisasi dan diuji, sebagian lagi dilakukan perlakuan panas (heat treatment). Perlakuan panas dilakukan sesuai dengan panduan Diagram Terner, yaitu dipanaskan di dalam tungku sampai temperatur 950 0 C, ditahan satu jam agar homogen dan tidak terjadi segregasi, kemudian dilakukan pendinginan cepat (quench) ke dalam air agar tidak terjadi proses difusi. Karakterisasi dan Pengujian Karakterisasi spesimen uji dilakukan untuk melihat senyawa apa saja yang terbentuk dan apakah sesuai dengan panduan Diagram Terner. Pengujian dilakukan untuk melihat nilai kekerasan dan massa jenis tiap spesimen uji, dengan komposisi Aluminium yang berbeda. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi dan Pengujian Komposisi yang diambil Diagram Fasa: Tabel 1. Persentase berat paduan secara teori Paduan % berat Al % berat Ni % berat Fe (1) 5 27 68 (2) 12 25 63 (3) 20 22,3 57,7 (4) 30 18,6 51,4 Berdasarkan % berat tersebut, dibuatlah paduan dengan komposisi sebagai berikut: Tabel 2. Massa paduan sebelum peleburan Paduan massa Al massa FeNi massa (gr.) (gr.) total (gr.) (1) 1,0025 19,0008 20,0033 (2) 2,4168 17,5775 19,9943 (3) 4,0276 16,0277 20,0553 (4) 6,0053 14,0296 20,0322 Komposisi yang didapat dari EDAX setelah peleburan adalah: Tabel 3. Persentase berat paduan setelah peleburan Paduan % berat Al % berat Ni % berat Fe (1) 7,12 19,27 71,86 (2) 41,21 11,61 47,18 (3) 34,30 8,79 54,95 (4) 17,10 16,15 66,74 Hasil XRD dari spesimen uji adalah terdapat fasa γfe dan terbentuk senyawa FeAl dan NiAl. Massa jenis yang didapat setelah peleburan adalah: Tabel 4. Massa jenis paduan setelah peleburan Paduan massa jenis (gr/ml) (1) 10,823 (2) 4,83 (3) 5,988 (4) 7,412 Hasil uji keras dari spesimen uji adalah: Tabel 5. Kekerasan spesimen uji Kekerasan (HV) tepi Tenga h pusat (1) as cast 385 397,5 411 7,12% Al as HT 330 384 320 (2) as cast 418 411 391,5 41,2% Al as HT 432,5 472 411 (3) as cast 385 398 398 34,3% Al as HT 411 383 370,75 (4) as cast 425 537,16 412 17,1% Al as HT 404,25 431,67 411 Rata-rata kekerasan as cast adalah 414,0967 HV Rata-rata kekerasan as HT adalah 396,7642 HV 4. KESIMPULAN Peleburan spesimen uji menghasilkan komposisi %berat yang relatif sama dengan komposisi %berat teori terutama pada spesimen (1) dan (3). 141
J u r n a l T e k n o l o g i d a n M a n a j e m e n, V o l. 12, N o. 2, A g u s t u s 2014 Fasa spesimen (1) adalah γfe, sesuai dengan hasil komposisi EDAX dan hasil XRD. Penambahan Aluminium pada paduan FeNi ternyata tidak terlalu mempengaruhi perbedaan nilai kekerasannya. Semakin bertambahnya komposisi Aluminium pada paduan, massa jenisnya akan cenderung menurun. Hal ini berarti kekerasan relatifnya semakin tinggi. Hal ini didukung dengan terbentuknya senyawa FeAl dan NiAl hasil XRD. Perlakuan panas yang dilakukan membuat kekerasannya relatif turun. 5. DAFTAR PUSTAKA ASM Handbook, Volume 3 (1997), Alloy Phase Diagrams, ASM International The Informatics Society. Calderon, H.A., Coarsening Kinetics of Coherent Precipitates in Ni-Al-Mo and Fe-Ni-Al alloys. Wiryolukito, S., Prajitno, D.H. (April 2000), Pembuatan Material Senyawa Antar- Logam (Intermetallic Compound) NiAl melalui Jalur Pengecoran dan Jalur Logam Serbuk, Laporan Akhir Riset Unggulan Terpadu. 142