Perubahan Nilai Kekerasan dan Struktur Mikro Al-Mg-Si Akibat Variasi Temperatur Pemanasan Disusun Oleh BAGUS SURONO dan MEDIA NOFRI Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Sains Dan Teknologi Nasional ABSTRAKSI Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui pengaruh antara suhu dan waktu yang akan diterima oleh benda yang akan diuji. Pengujian yang akan dilakukan menggunakan temperatur yang berbeda-beda yaitu; 500 C, 550 C, 600 C dan 650 C dengan waktu penahanan masing-masing sampel selama 60 menit, diikuti proses pendinginan yang berbeda. Proses pendinginan yang digunakan adalah air dan udara. Aluminium dengan unsur pemadunya adalah Magnesium dan Silikon ( Al- Mg-Si ), merupakan jenis paduan Aluminium yang banyak digunakan industri pesawat terbang, otomotif, konstruksi dan masih banyak lagi karena sifat yang dimiliki tergolong baik. Dari hasil pengujian yang dilakukan bahwa pada pada kondisi solution heattreatment yang dilakukan dengan proses quenching yang berbeda dapat menurunkan dan menaikan nilai kekerasannya dan merubah bentuk strukur mikro pada sampel. Abstract The purpose of this test is to determine the effect of temperature and time to be received by the object to be tested. Testing will be done using different temperatures, namely: 500 C, 550 C, 600 C and 650 C with a hold time of each sample for 60 minutes, followed by different cooling processes. Cooling processes used are water and air. Element is aluminum with magnesium and silicon alloy (Al-Mg-Si), a type of aluminum alloy that is widely used aircraft industry, automotive, construction and much more for properties owned quite good. From the results of testing done on the condition that the solution heat-treatment performed with different quenching processes can lower and raise the value of its hardness and change the form of micro structure of the sample. 1
1. PENDAHULUAN nilai kekerasan dan perubahan Aluminium merupakan logam struktur mikro akibat variasi ringan yang memiliki sifat mekanik, ketahanan korosi dan hantaran listrik yang baik. Logam ini dipergunakan pemanasan pada aluminium dengan menggunakan temperatur pemanasan 500 C, 550 C, 600 C dan 650 C secara luas bukan saja untuk masing-masing ditahan selama 1 peralatan rumah tangga, tetapi juga jam, proses pendinginan yang dipakai untuk keperluan matrial berbeda pada tiap beda temperatur pesawat terbang, industri otomotif, kapal laut, konstruksi dan lain-lain. yaitu dengan menggunakan media pendinginan air dan udara. Untuk Salah satu cara agar mendapatkan cara mengethui nilai yang ada peningkatan kekuatan mekanik, dengan melakukan pengujian biasanya logam aluminium kekerasan dengan menggunakan dipadukan dengan unsur Mg metode Brinell, dan untuk perubahan ( magnesium ). Secara umum struktur mikro maka dilakukan paduan alumunium dan magnesium dengan komposisi tertentu bertujuan pengamatan metallografi. Untuk dapat mengetahui sifat untuk meningkatkan kekerasan, mekanik dan struktur mikro pada keuletan, ketahanan aus, material setelah terjadi proses ketangguhan, ketahanan korosi dan perlakuan panas dan proses mampu mesin yang baik. Dari uraian diatas, maka dilakukan serangkaian pendinginan yang bervariasi. Tujuan dari pengujian ini untuk mengetahui pengujian sifat mekanik dan pengaruh dari variasi temperatur dan diberikan perlakuan panas pada pendinginan terhadap sifat mekanik temperatur dan waktu tertentu dan strukur mikro pada material terhadap aluminium dengan media aluminium paduan. pendingin yang berbeda-beda (air, dan udara) yang bertujuan untuk 2. TINJAUAN PUSTAKA melihat perubahan sifat mekanik dan struktur mikro dari proses tersebut. 2.1 Aluminium Dan Paduan Aluminium Pengujian yang dilakukan Aluminium mempunyai dibatasi hanya terhadap peningkatan struktur kubik berpusat muka (FCC), 2
bilangan struktur ini 12 dan satu unit Logam Aluminium sangat sel-nya terdapat 4 atom. sensitif terhadap pengaruh luar, hal Paduan aluminium banyak ini berkaitan dengan sifat fisik dan sekali digunakan dalam aplikasi sifat kimia dari logam cairnya. sehari-hari jika dibandingkan dengan paduan non ferrous lainya karena sifat-sifatnya yang menguntungkan antara lain : Tiik lebur rendah (±660 C), Mampu alir yang baik untuk Secara karakteristik dari Aluminium adalah sebagai berikut : a. Sangat mudah bereaksi dengan udara, yang menimbulkan oksidasi, dan benda asing yang dapat membentuk dross casting, Kristalisasinya singkat, (kotoran yang merupakan bagian dari cukup membantu untuk proses leburan Aluminium). b. selama produksi dan Permukaan hasil proses pembekuan sangat mudah casting yang baik dengan permukaan yang mengkilap menyerap Hidrogen, yang sering kali setelah pembekuan mengakibatkan Secara umum Aluminium gas porosity. c. selama proses diproduksi dalam bentuk Aluminium pembekuan seakan mengalami Tempa dan Aluminium Tuang. penyusutan volume antara (3.5-8.5) Untuk Aluminium Tuang dibagi %. d. aluminium cair mempunyai menjadi tiga, Tuang Pasir, Tuang massa jenis dan tekanan hidrostatis Gravity, Tuag Dies. yang rendah setelah pembekuan 2.2 Sifat-sifat dan Karakteritik Alumunium sering dijumpai adanya shrinkage porosity (kekurangan logam cair dalam cetakan). dan e. mempunyai Aluminium mempunyai banyak kecenderungan terjadinya hot sifat baik yang menguntungkan shortness (retak pada permukaan untuk dikembangkan dalam indutri coran). antara lain : Ringan, Kuat, Mudah Bentuk, Tahan Kara, Memiliki Daya 2.3. Paduan Aluminium. Hantar Listrik yang Baik, Ada beberapa jenis paduan Mempunyai Daya Hantar Panas yang utama yaitu: Paduan Al-Mg-Si, Baik dan Dapat Didaur Ulang. Paduan Al-Cu, Paduan Al-Cu-Mg, 3
Paduan Al-Mn, Paduan Al-Si, listrik menjadi tinggi. Pengerasan Paduan Al-Mg, Paduan Al-Mg-Zn. Untuk Paduan Al-Mg-Si, bila sedikit Mg ditambahkan kepada Al, pengerasan penuaan sangat jarang maksimum dapat dicapai dengan jalan perlakuan pelarutan pada 500 C, pencelupan dingin dan ditemper pada 160 C selama 18 jam. terjadi, tetapi apabila secara simultan mengandung Si, maka dapat 2.4. Heat Treatment. dikeraskan dengan penuaan panas setelah perlakuan pelarutan. Hal ini Heat treatnent adalah proses pemanasan dan pendinginan material disebabkan karena senyawa Mg 2 Si yang terkontrol dengan maksud berkelakuan sebagai komponen merubah sifat fisik dari material murni dan membuat keseimbangan dari sistem biner semu dengan Al. tersebut. Proses Heat Treatment akan menyababkan perubahan strukturstruktur Sebagai paduan praktis dapat suatu material yang mulanya diperoleh paduan 5053, 6063, dan masih mengumpul menjadi terurai 6061. paduan dalam sistim ini sehingga menjadi lebih keras, ulet mempunyai kekuatan kurang sebagai bahan tempaan dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya, tetapi sangat dan tangguh. Proses pengejaan panas yang dilakukan bertujuan untuk merubah liat, mampu bentuk untuk sifat dan struktur logam menjadi sifat penempaan, ekstrusi dan sebagainya, yang diinginkan seperti : Menambah sangat baik juga untuk mampu sifat mekanis seperti ductility, bentuk yang tinggi pada temperatur toughness, strength, hardness dan biasa. Paduan 6063 digunakan untuk sebagainya, Menambah rangka-rangka konstruksi. Karena machinability, Menambah tahan paduan dalam sistem ini mempunyai terhadap korosi, Menghilangkan kekuatan yang cukup baik tanpa mengurangi hantaran listrik, maka tegangan dalam, Memodifikasi sifat magnet dan listrik dan Meningkatkan digunakan untuk kabel tenaga. tahan panas dan tahan gesek dan Dalam hal ini pencampuran dengan jenis-jenis proses Heat treatment Cu, Fe dan Mn perlu dihindari adalah Annealing, Hardening, karena dapat menyebabkan tahanan Tempering dan Normalising 4
2.5. Pengujian Sifat Mekanis Kekerasan adalah daya tahan suatu material untuk melawan benda lain yang ditusukan kepadanya atau ketahanan suatu material terhadap deformasi plastis. Kekerasan suatu material perlu diketahui untuk mengatahui sifat mekanis dari suatu material dapat digunakan beberapa sistem antara lain : Brinell, Vickers, Rockwell dll Pengukuran kekerasan menurut system Brinell menggunakan sebuah bola kecil (indentor) yang ditekankan dengan beban tertentu kedalam material yang diselidiki kekerasanya. Kekerasan material tersebut didapat sebagai hasil bagi beban tekan P (N) dengan luas bekas penekanan A (mm 2 ), dengan rumus dapat ditulis : HB = 2P 2 2. D D D d Kg mm Dimana : P = Beban yang diterapkan (N) D = Diameter bola (mm) 2 d = Diameter lekukan (jejak) (mm) Pengamatan Metallografi adalah pengamatan logam dengan cara melihat struktur mikro dengan menggunakan mikroskop, mikroskop yang digunakan adalah mikroskop optik. Dalam pelaksanaannya analisa metallografi dibedakan menjadi dua yaitu Tujuan dari analisa metalografi antara lain : a. Mengutarakan sifatsifat logam dan paduannya berdasarkan bentuk dan gambar struktur mikro. b. Menyatakan benar tidaknya bentuk struktur material logam yang sebelumnya telah mengalami proses pengerjaan/ perlakuan panas seperti Hardening, Quenching, Normalising, pengerjaan dingin, proses pengelasan dan lainlain dan c. Mengutarakan sebabsebab terjadinya penyimpangan struktur bahan logam atau jenis cacat yang lain (retakan, korosi dan lain sebagainya). 5
3. METODOLOGI AL-Mg Sampel Uji Komposisi Kimia HeatTreatment Non HeatTreatment 500 C HT 1 Jam 550 C HT 1 Jam 600 C HT 1 Jam 650 C HT 1 Jam Pendinginan Udara Pendinginan Air Pengujian Uji Metalografi Uji Kekerasan Data Analisa Kesimpulan Gambar 1. Diagram Alir Pengujian. 6
4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian komposisi kimia 4.1. Pengujian Komposisi Kimia Pengujian ini dilakukan untuk dilakukan pada material awal yang belum mengalami proses perlakuan mengetahui unsur-unsur yang panas.hasil pengujian komposisi terkandung didalam material uji. kimia dapat dilihat pada tabel 1 Tabel 1. Hasil Uji Komposisi Kimia Pada Sampel Kode Sampel Si Fe Cu Mn Mg Zn (%) (%) (%) (%) (%) (%) 0.422 0.488 0.06 0.04 1.55 <0.005 Al Rod Ø 19 mm Ti Cr Ni Pb Sn Al (%) (%) (%) (%) (%) (%) 0.013 <0.001 <0.005 <0.002 <0.010 <94.7 4.2. Pengujian Metallografi (Struktur Mikro) Tujuanya adalah untuk mengetahui struktur mikro pada material yang mengalami perlakuan panas dan tidak mengalami perlakuan panas apakah terjadi perubahan dan perbedaan diantara material tersebut. 7
Gambar 1. Struktur Mikro Tanpa Perlakuan Panas, Pembesaran 100 X Gambar 2. Struktur Mikro Tanpa Perlakuan Panas, Pembesaran 500 X Gambar 3. Struktur Mikro Temp 500 C Quenc Air, Pembesaran 100 X 8
Gambar 4. Struktur Mikro Temp 500 C Quenc Udara, Pembesaran 100 X Gambar 5. Struktur Mikro Temperatur 550 C Quench Air, Pembesaran 100 X 9
Gambar 6. Struktur Mikro Temp 550 C Quench Udara, Pembesaran 100 X Gambar 7. Struktur Mikro Temp 600 C Quench Air ( Pembesaran 100 X ) 10
Gambar 8. Struktur Mikro Temp 600 C Quenc Udara, Pembesaran 100 X Gambar 9. Struktur Mikro Temp 650 C Quench Air, Pembesaran 100 X Gambar 10. Struktur Mikro Temp 650 C Quenc Udara, Pembesaran 100 X 11
4.3. Pengujian kekerasan Uji kekerasan Brinell berupa pembentukan lekukan pada permukaan logam dengan memakai bola baja berdiameter 10 mm dan untuk bahan yang sangat keras, digunaka paduan karbida Tungsten, untuk memperkecil terjadinya distorsi indentor. Permukaan dimana akan dibuat harus relatif halus, bebas dari debu atau kerak. Angka kekerasan Brinell (BHN) dinyatakan sebagai beban P dibagi luas permukaan lekukan. Rumus untuk angka kekerasan tersebut adalah : 2P HB = 2 2. D D D d Kg mm P = Beban yang diterapkan (N) D = Diameter bola (mm) d = Diameter lekukan (jejak) (mm) Table 2. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Tanpa Pemanasan. Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell (HB) I 75 II 75 rata-rata HB 2 Keterangan Kondisi Awal III 68 71 Beban penjejakan IV 67 31.25 Kg V 69 Table 3. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 500 C, Quench Udara rata-rata Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell (HB) HB Keterangan I 66 II 62 SAMPEL I III 59 57 Beban penjejakan IV 54 31.25 Kg V 47 12
Table 4. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 500 C, Quench Air rata-rata Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell (HB) HB Keterangan I 51 II 60 SAMPEL II III 67 56 Beban penjejakan IV 65 31.25 Kg V 51 Table 5. Nilai Kekerasan Pada Kondisi pemanasan 550 C, Quench Udara rata-rata Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell (HB) HB Keterangan I 52 II 52 SAMPEL III III 49 51 Beban penjejakan IV 49 31.25 Kg V 49 Table 6. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 550 C, Pendinginan Air Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell (HB) rata-rata Keterangan I 62 II 63 SAMPEL IV III 73 71 Beban penjejakan IV 79 31.25 Kg V 76 Table 7. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 600 C, Quench udara Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell Rata-rata Keterangan I 32 II 34 SAMPEL V III 31 34 Beban penjejakan IV 35 31.25 Kg V 37 13
Table 8. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 600 C, Quench Air Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell (HB) Rata-rata Keterangan I 37 II 39 SAMPEL VI III 40 38 Beban penjejakan IV 38 31,25 Kg. V 37 Table 9. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 650 C, Quench udara Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell Rata-rata Keterangan I 21 II 20 SAMPEL VII III 27 26 Beban penjejakan IV 29 31,25 Kg V 24 Table 10. Nilai Kekerasan Pada Kondisi Pemanasan 650 C, Quench Air Kode Sampel Penjejakan Kekerasan Brinell Rata-rata Keterangan I 20 II 30 SAMPEL VIII III 27 26 Beban penjejakan IV 29 31,25 Kg V 24 14
4.4. Analisa 4.4.1 Analisa Hasil Pengujian kekerasan. 80 70 71 71 60 50 40 30 20 57 56 51 38 34 26 udara air 10 0 Non HT 500 C 550 C 600 C 650 C Gambar 11. Nilai Rata-rata Pada Sampel Perubahan penurunan nilai kecelakaan inadeguate solution kekerasan ini bisa saja terjadi (solution treatment yang tidak dikarenakan partikel-partikel mencukupi), hal tersebut dapat presipitat mengeraskan matriknya terjadi karena temperatur yang lebih dengan teori kisi-kisi koheren. rendah dibanding temperatur normal Setelah perlakuan pelarutan dan yang diperlukan, atau dapat juga quenching, paduan Al-Mg berada terjadi karena over heating atau dalam kondisi larut terditribusi temperatur treatment melebihi secara random didalam kisi-kisi temperatur normal yang diperlukan, struktur. Selama periode inkubasi, Factor lainya dapat juga disebabkan kelebihan atom larutan tersebut pada saat pendinginan agar cenderung berpindah kebidang menghindari terjadinya persipitat kristalografi tertentu. selama pendinginan adalah waktu Penurunan kekerasan dapat transfer dan gangguan saat juga disebabkan oleh kegagalan quenching. Pada saat pemindahan Solution Treatment karena benda uji ke media pendingin harus kurangnya proses kontrol atau dilakukan sesingkat mungkin, 15
pemindahan yang terlalu lama akan persipitat kasar yang akan membuat temperatur turun secara menghilangkan efek pengerasan. cepat dan terjadi pembentukan 4.4.2 Analisa Hasil Uji Metallografi Struktur Mikro Pada Kondisi Awal Gambar 12. Struktur Mikro Tanpa Gambar 13. Struktur Mikro Tanpa Perlakuan Panas ( Pembesaran 100 X ) Perlakuan Panas(Pembesaran 500 X ) Gambar 12 dan 13 menunjukan yang tidak beraturan dan terdapat foto struktur mikro Aluminium banyak garis-garis, disekitar foto Paduan AL-Mg yang tidak tersebut terlihat juga lamel yang mengalami perlakuan panas terlihat masih berupa struktur butiran-butiran menebal dan masih banyak garisgaris halus. Struktur Mikro Temperatur 500 0 C Gambar 14. Struktur Mikro Temperatur Gambar 15. Struktur Mikro Temperatur 500 C Pendinginan Air 500 C Pendinginan Udara ( Pembesaran 100 X ) ( Pembesaran 100 X ) 16
Pada gambar 14 dan 15 terlihat terlihat rapi dan halus berbeda dngan perbedaan yang sangat mencolok sampel yang tidak menerima pada kondisi perlakuan panas dengan perlakuan panas yang terlihat tebal temperatur 500 C dan dinginkan dantak beraturan terlihat pada dengan media air dan udara atau suhu ruang. Pada sampel yang didinginkan pada suhu ruang terlihat gambar 14, pada kondisi tersebut terjadi disebabkan oleh tersedianya waktu untuk struktur butir untuk berbeda dengan sampel yang mengembalikan posisinya semula, didinginkan pada media air, hal akan tetapi bentuk butiran tidak akan tersebut disebabkan karena tidak kembali pada kondisi sebelum adanya waktu untuk struktur butir menerima perlakuan panas. kembali pada bentuk semula setelah Perbedaan bentuk butiran disebabkan perlakuan panas yang diterima, beda karena sampel telah menerima dengan media udara terlihat perlakuan panas yang memperbaiki banyaknya struktur butir yang bentuk butirannya tersebut. Struktur Mikro Temperatur 550 C Gambar 16. Struktur Mikro Temperatur Gambar 17. Struktur Mikro Temperatur 550 C Pendinginan Air 550 C Pendinginan Udara ( Pembesaran 100 X ) ( Pembesaran 100 X ) Gambar 16 menunjukan 17 terdapat struktur butir yang lebih perubahan bentuk struktur mikro sedikit jika dibandingkan dengan yang semakin halus dan menyebar gambar 16 yakni pada kondisi akan tetapi berbeda dengan gambar pendinginan air. Pada pendinginan 17
udara terlihat batas butir yang yaitu sebasar BHN= 51 (kg / mm² ). memanjang dan butiran yang lebih Perbedaan nilai kekerasan yang sedikit, hal ini pula yang begitu besar jika dibandingkan membedakan nilai kekerasannya, dengan temperatur uji lainnya yang yaitu pada pendinginan air sebesar BHN= 71 (kg / mm² ), sedangkan diikuti dengan perbadaan struktur mikro. pada pendinginan udara lebih lunak Struktur Mikro Pada Temperatur 600 C Gambar 18. Struktur Mikro Temperatur Gambar 19.Struktur Mikro Temperatur 600 C Pendinginan Air 600 C Pendinginan Udara ( Pembesaran 100 X ) ( Pembesaran 100 X ) Pada gambar 18 dan 19 yang lebih besar dan lebih sedikit bila telah menerima perlakuan panas dan dibandingkan dengan media juga diberi pendinginan yang pendinginan air. Pada gambar diatas berbeda akan mempengaruhi bentuk struktur butiran yang berbeda jika dilihat pada sampel yang diberi terlihat adanya batas butir yang membesar yang disebabkan oleh hubungan antara temperatur dan pendinginan menggunakan udara waktu. pada suhu 600 C bentuk butiranya 18
Struktur Mikro Pada Temperatur 650 C Gambar 20. Struktur Mikro Temperatur Gambar 21. Struktur Mikro Temperatur 650 C Pendinginan Air 650 C Pendinginan Udara ( Pembesaran 100 X ) ( Pembesaran 100 X ) Pada perlakuan panas dengan suhu 650 C struktur mikronya terlihat butiran yang lebih membesar dan lebih kasar. Pada temperatur tersebut sampel uji menjadi berubah bentuk menjadi seperti meleleh tetapi tidak mencair, hal ini terjadi karena pada suhu 650 C mendekati titik lebur, dan berpengaruh pada uji kekerasan yang semakin lunak daripada temperatur uji lainnya. 5. KESIMPULAN 1. Nilai kekerasan pada sample yang tidak mengalami proses pemanasan dengan menggunakan metode Brinell didapat rata-rata sebesar 71 HB. Setelah mengalami proses pemanasan dengan temperatur 500 C nilai kekerasan nya sebesar 56 HB, 550 C nilai kekerasan nya sebesar 71 HB, 600 C nilai kekerasan nya sebesar 38 HB dan pada 650 C nilai kekerasan nya sebesar 26 HB. Nilai kekerasan yang didapat pada poin ini adalah nilai kekerasan setelah perlakuan panas dengan mengggunakan media pendinginan air, namun pada temperatur 550 terjadi kenaikan, walaupun lebih banyak nilai kekerasan yang turun. 19
2. Semakin tinggi temperatur pemindahan dari dapur yang diterima pada sample pada proses pemanasan dan hampir menyentuh titik lebur pemanas atau kesalahan pada saat membaca alat ukur, Over Heating pada saat pemanasan akan semakin rendah nilai dan sensifitas alat uji. kekerasan yang didapat. Daftar Pustaka 3. Proses pemanasan dapat 1. Jhon E Hatch, Aluminium mempengaruhi bentuk dari Properties and Physical struktur mikro dari tiap-tiap beda temperatur dan media Metallurgy, American Society for Metal, 1984 pendinginan dan sangat 2. Lawrence H. Van Vlack, Sriati berbeda jika dibandingkan Djaprie, Ilmu dan Teknologi dengan kondisi awal tanpa proses pemanasan. Bahan edisi ke 4, Erlangga, Jakarta, 1986. 4. Pada proses pemanasan dan 3. Smallman, RE. Metalurgi Fisik media pendinginan terlihat Modern, Gramedia, Jakarta adanya struktur butirannya 1991. yang lebih besar dan kasar terdapat pula batas butir yang 4. SBP Board of Consultan & Engineers, Teknologi of kian membesar jika Aluminium Product, Pvt,Ltd, dibandingkan dengan proses Delhi 54-59 pendinginan dengan 5. Tata Surdia dan Shinroku menggunakan media air. Saito, Pengetahuan Bahan 5. Dari data yang diperoleh Teknik, Cetakan Ke 3, PT. penurunan nilai kekerasan Pradnya Paramita, Jakarta setelah sampel mendapat 1995. perlakuan panas, hal tersebut dapat saja terjadi karena disebabkan oleh beberapa factor yakni ; factor Human Error pada saat proses 20
21