Perbaikan Sifat Mekanik Paduan Aluminium (A356.0) dengan Menambahkan TiC Suhariyanto Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Telp. (031) 5922942, Fax.(031) 5932625, E-mail : d3mits@rad.net.id Abstrak Paduan Aluminium ( A356.0 ) merupakan salah satu paduan aluminium yang cocok dipakai untuk bahan Velg-Racing mobil, karena paduan ini mempunyai beberapa kelebihan seperti : ringan, tahan korosi dan warnanya cukup menarik, namun sifat mekaniknya belum memenuhi syarat sebagai bahan Velg-Racing mobil 3000 cc sesuai dengan standar JIS H 52. Oleh karena itu sifat mekaniknya perlu ditingkatkan. Sifat mekanik material dapat ditingkatkan dengan beberapa cara, salah satunya adalah dengan merubah komposisi kimia. Pada penelitian ini dilakukan penambahan TiC ke dalam paduan Aluminium (A.356.0), sehingga kandungan Titaniumnya naik yang semula 0,13% dirubah sampai kandungan Titaniumnya menjadi : 0,15%, 0,17%, dan 0,19%, kemudian dilakukan pengujian sifat mekanik. Hasil pengujian menunjukkan adanya perubahan sifat mekanik dan struktur mikro akibat adanya penambahan TiC tersebut. Kandungan Ti yang optimum adalah 0,19% yang mempunyai kekuatan tarik 22,51 kg/mm 2, Elongasi 8,92 %, Kekerasan 63,65 HVN dan IS 5,21 J/cm 2. Kata kunci : Paduan Aluminium (356.0), TiC, Sifat -mekanik Aluminium dan paduannya merupakan logam non ferrous yang cukup luas penggunaanya, mulai dari kebutuhan rumah tangga, otomotif sampai ke pesawat terbang. Hal ini disebabkan karena logam ini mempunyai beberapa kelebihan, seperti : ratio terhadap beban yang tinggi ( high strength to weight ratio), ringan (light), tahan terhadap korosi dari berbagai macam bahan kimia (resistence to coorosion by many chemicals), konduktifitas panas dan listrik tinggi ( high thermal and electrical conductivity), tidak beracun ( non- toxicity), memantulkan cahaya (reflectivity), mudah dibentuk dan dimachining ( esay of formability and machinability) dan tidak bersifat magnet ( no magnetic). Untuk bahan Velg Racing mobil 3000 cc, sifat mekanik yang dibutuhkan harus disesuaikan dengan Standar JIS H 52, yaitu : UTS (Ultimate Tensile Strenght ) minimal sebesar 25 kg/mm 2 atau 245,25 Mpa, Elongation minimal 5 %, Hardness 75 s/d 95 Hv. Dan impact strenght 6,8 J/cm 2. Padahal paduan Aluminium (A 356.0) hanya mempunyai kekuatan tarik 16,86 kg/mm 2, Kekerasan 54,1 Hv. Sehingga perlu ditingkatkan sifat mekaniknya. Sifat mekanik suatu paduan dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti : komposisi kimia, perlakuan panas (heat treatment), proses pengecoran dan proses pengerjaan. Jadi dengan merubah komposisi kimia sampai batas tertentu, maka sifat mekanik akan berubah sesuai dengan yang diinginkan. Pada penelitian ini dilakukan penambahan TiC pada paduan Aluminium (A356.0), sehingga kandungan Ti menjadi : 0,15 %w, 0,17 %w dan 0,19 %w, hal ini berkaitan dengan hipotesis : a. Apakah dengan penambahan TiC, sifat
Suhariyanto, Perbaikan Sifat Mekanik 21 mekaniknya meningkat. b. Apakah sifat mekanik yang dihasilkan dapat memenuhi standar JIS H 50, persyaratan sebagai bahan Velg-racing mobil. c. Berapa kandungan Ti pada paduan Aluminium A356.0 yang menghasilkan sifat mekanik yang optimum. Tinjauan Pustaka Titanium (Ti) merupakan salah satu unsur paduan pada Aluminium, disampingn: Cu, Mg, Mn, Fe, Sr, Sc, dan Fe ( John E Hatch, 1997 ). Berikut ini akan diuraikan beberapa hasil penelitian yang berkaitan dengan peranan unsur paduan tersebut terhadap perbaikan sifat mekanis pada paduan Aluminium. Penambahan Unsur Mg Untuk melihat pengaruh penambahan Mg terhadap kuat tarik, elongasi, kekerasan dan IS, dan juga untuk menentukan penembahan Mg yang optimum yang disesuaikan dengan kebutuhan dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini. Dari gambar tersebut dapat disimpukan bahwa penambahan Mg yang optimum adalah 0,4 % yang nilai kuat tariknya sebesar 25,97 kg/mm 2, elongasinya 6,95 %, kekerasnnya 75,86 HVN dan elongasinya 4,21 J/cm 2, namun bila dikaitkan dengan persyaratan standar JIS H 52 bahan tersebut masih belum dapat dipakai secara langsung dari as cast. [Suhariyanto, Muhyin, 02] Pengaruh Penambahan Unsur Cu Sebuah paduan Al-Si-Mg yang paduan dasarnya (base alloy) mempunyai komposisi persen berat sebagai berikut : Si = 9,18 %; Fe = 1,01 % ; Mg = 0,06 %, Cu = 3,22 %, Mn = 0,16 %, Zn = 2,28 %. Unsur-unsur tersebut secara bergantian divariasi kandungan Cu dan Zn, kemudian diuji kekerasannya. Hasil pengujian menunjukkan bahwa Cu berpengaruh terhadap nilai kekerasan. Mulamula base alloy mempunya kekerasan 86 BHN, maka dengan dinaikkannya kandungan Cu sampai menjadi 4,2 %, maka kekerasaanya akan meningkat menjadi 93 BHN. Bila ditambahkan Fe peningkatan kekerasannya jauh lebih besar, misalnya kandungan Fe sebesar 1,7 %, kekerasannya meningkat menjadi 98 BHN. Demikian juga bila ditambahkan Mg dan Mn. [A.M. Samuel 1995]. UTS, El, HVN, IS 40 35 30 25 15 10 33,86 22,42 18,76 15,24 37,5 34,465 35,27 33,865 25,97 24,55 23,46 22,68 16,64 14,72 13,88 12,84 12,72 12,63 12,57 9,36 5 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Kandungan Mg (%w) UTS (kg/mm2) El (%) HVN IS (J/cm2) Gambar 1. Pengaruh Mg terhadap sifat mekanik paduan Al (A356.0)
22 Jurnal Teknik Mesin, Volume 3, Nomor 1, Januari 03 Elemen-elemen paduan seperti : Cu, Mg, Mn, dan Zn dengan komposisi tertentu dan perlakukan panas tertentu dapat meningkatkan kekuatan tarik paduan Al.. Sebagai contoh paduan Al yang mengandung persen berat : 0,3 % Mn, 0,2 % Zr ; dan 0,1 % V, kekuatan tariknya akan naik dengan adanya penambahan elemen Cu. Pada saat Cu = 3 % kekuatan tariknya 230 Mpa, dengan dinaikkannya Cu sebesar 5 % kekuatan tariknya meningkat menjadi 350 Mpa, dan dengan kandungan Cu sebesar 8 % diperoleh kekuatan tarik hampir 450 Mpa. [ Pollack H.W, 1990 ]. Pengaruh Penambahan Si Silikon ( Si ) salah satu paduan aluminium yang dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan tarik. Sebagai contoh paduan Al-Si-Mg, mula-mula kandungan Si sebesar 5,8 %w. Kemudian dilakukan penambahan Si sehingga kandungan Si menjadi : 6 %w, 8 %w 10 %w 12 %w 14 %w dan 16 %w. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan tarik dan kekerasan naik sampai kandungan Si sebesar 14 %w, setelah kandungan Si di atas 14 %W, kekuatan tarik dan kekerasan turun. Sedang elongasinya, mula-mula turun sampai kandungan Si sebesar 6,5 %w, setelah kandungan Si di atas 6,5 %w elongasi akan naik. Kandungan Si yang optimum sebesar 14 %w, dengan nilai UTS 248 Mpa, kekerasan 64 BHN dan Elongasi 9,2 %. [John E. Hatch, 1995] Pengaruh Penambahan Scandium ( Sc ) Paduan Aluminium Al-Zn-Mg, mulamula mempunyai kekuatan tarik 50 Mpa, kekerasan 62 BHN dan Elongasinya 18 %, kemudian ditambahkan kandungan Sc, yang semula 0,5 %w menjadi : 0,75 %w, 1,00 %w dan 1,25 %w. Akibat penambahan Sc tersebut, maka ketiga sifat mekanik tersebut berubah. Mula-mula kekuatan tariknya dan kekerasannya naik sampai kandungan Sc sebesar 1,00 %w, setelah itu turun. Sedangkan elongasinya turun sampai kandungan Sc sebesar 1,25 %. Kandungan Sc yang paling baik adalah 1,00 %w, dengan nilai UTS sebesar 227 Mpa, kekerasan 78 BHN dan Elongasi 9,45 % [B.A. Parker, Z.F Zhou, 1995]. Aluminium Titanium Carbon ( Al-Ti-C) Paduan Al-Ti-C dapat digunakan untuk penghalus butiran pada Aluminium, paduan ini mempunyai kandungan 3 %w Ti dan 0,15 %w C, sehingga paduan ini dapat ditulis : Ti3C0,15. ( htpp:\\www\anglo Black Weless.Com.) Partikel Titanium Carbon tidak dapat larut sempurna dalam cairan aluminium. Ketika paduan AlTi-C ditambahkan ke dalam cairan aluminium sejumlah 0,1%w, maka butiran pada aluminium akan menjadi lebih kecil. Metodologi Penelitian Paduan Aluminium A356.0 mempunyai komposisi kimia : Al = 92,48 %; Si=6,95 % Mg = 0,25 % ; Sr = 0,13 % ; Zn = 0,0098 % ; Cu = 0,004% ; Ti = 0,13 %, Sn = 0,002, Ni = 0,005 %. (hasil pengujian Spectrometer). Pada paduan ini ditambahkan Al-Ti-C, sehingga kandungan Titaniumnya yang semula 0,13% menjadi : 0,15%, 0,17%, 0,19% dan 0,21%. Kemudian dilakukan pengujian sifat mekanik. Adapun sifat mekanik yang diuji adalah : kuat tarik, elongasi, kekerasan, impact strenght dan struktur mikro. Selanjutnya dilakukan analisis, pembahasan dan kesimpulan. Hasil dan Pembahasan Hasil Pengujian sifat Mekanik Setelah dilakukan pengujian sifat mekanik : Kuat tarik, elongasi, kekerasan dan impact, hasilnya dapat dilihat pada Tabel-1 dan Gambar 2 di bawah ini. Tabel 1. Hasil percobaan pengaruh Ti terhadap sifat mekanik. N O Ti (%w) UTS (kg/mm 2 ) ε (%) HVN IS (J/cm 2 ) 1 0,13 16,38 10,23 54,10 6,08 2 0,15 19,25 10,45 58,64 5,82 3 0,17 22,18 8,06 63,56 5,24 4 0,19 22,51 8,92 63,65 5,21
Suhariyanto, Perbaikan Sifat Mekanik 23 UTS, El, Hard, IS 70 60 50 40 30 10 0 0,13 0,15 0,17 0,19 Kandungan Ti (%W) (d) UTS(Kg/mm2) Elongasi (%) Kekerasan(HVN) IS(J/cm2) Gambar 2. Grafik pengaruh penambahan Ti terhadap UTS, Elongasi, kekerasan dan IS( 2 x UTS, 2 x Hard. dan 10 x IS ) Hasil Pengujian Struktur Mikro Hasil pengujian struktur mikro dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah ini. (a) (b) (c) (d) Gambar 3. Foto struktur mikro Al-7%Si as-acast ( pembesaran 125 x )( a ). Kandungan Ti sebesar 0,13 % w, ( b ). Kandungan Ti sebesar 0,15 %w,( c ).Kandungan Ti sebesar 0,17 %w, (d ). Kandungan Ti sebesar 0,19 %w.
24 Jurnal Teknik Mesin, Volume 3, Nomor 1, Januari 03 Pembahasan Hasil pengujian menunjukkan bahwa Ti cukup berpengaruh terhadap sifat mekanik dan struktur mikro paduan aluminium. Mula-mula kandungan Ti sebesar 0,13%w, setelah ditambahkan Ti sampai mencapai 0,19 %w, maka kekuatan tarik dan kekerasannya meningkat sampai mencapai nilai 22,51 kg/mm 2 dan 63,65 BHN. Sedang elongasi dan IS nya turun sampai kandungan Ti sebesar 0,17 %w. Setelah kandungan Ti dinaikkan elongasinya naik sedang IS nya hampir konstan sebesar 5,24 J/cm 2. Hasil pengujian struktur mikro menunjukkan bahwa semakin besar kandungan Ti maka butirannya semakin halus, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2. Pada Gambar 2a kandungan Ti sebesar 0,13 %w butirannya paling kasar dengan sifat mekanik : UTS 16,38 kg/mm 2, kekerasan 54,1 BHN, Elongasi 10, 23 %w dan IS 6,08 J/cm 2. Setelah kandungan Ti dinaikkan maka butirannya semakin halus, dan mencapai butiran paling halus ketika kandungan Ti sebesar sampai 0,19 %w dengan sifat mekanik : UTS 22,51 kg/mm 2, kekerasan 63,65 BHN, Elongasi 8,92 %w dan IS 5,21 J/cm 2. Titanium yang dikombinasikan dengan Boron atau Carbon merupakan unsur paduan Al-Si yang berfungsi untuk menghaluskan butiran (grain refiner) pada aluminium cor, karena TiC atau TiB dapat menjadi inti dari paduan aluminium. Hal inilah yang mempengaruhi adanya perubahan sifat mekanik dan struktur mikro tersebut. Dengan semakin halus butiran, maka penjalaran dislokasinya akan semakin sulit, sehingga mempunyai ketahanan yang lebih besar, karena diperlukan energi yang lebih besar untuk merusak butiran yang halus tersebut, hal ini ditunjukkan dengan naiknya kekuatan tarik dan kekerasannya. Disamping itu grain refiner juga dapat mengurangi hot tearing dan porosity, dan dapat merapatkan tekanan butiran. elongasi, kekerasan dan impact. 2. Kandungan Ti yang optimum sebesar 0,19 %w. dengan menghasilkan kuat tarik 22,51 kg/mm 2, elongasi 8,92 %, kekerasan 63,65 HVN dan impact strenght 5,21 J/cm 2. 3. Berdasarkan standar JIS H 50 tersebut maka material as cast ini belum ada yang memenuhi standar. 4. Perlakuan panas perlu dilakukan untuk meningkatkan sifat mekanik paduan tersebut, agar memenuhi standar. Referensi [1] Samuel, A.M., dan Samuel, F.H., 1995, Effect of Alloying Element and DAS on the Microstructur and Hardness of Al-Si- Mg Aluminium Die Casting Alloy, Journal of Mat.Sci, Vol. 30, pp. 1313-1319. [2] Park, Dong Seok., dan Nam, Soo Woo., 1995, Effects of Manganese Dispersoid on the Mechanical Properties in Al-Mg- Zn Alloy, Journal of Mat.Sci, Vol., pp. 1313-13. [3] Parker, B.A., Zhou, Z.F., dan Nolle, P., 1996, The Effect of Small Additions of Scandium on the Properties of Aluminium Alloys, Journal of Mat. Sci, Vol. 30, pp. 452-458. [4] Pollack, H.W., 1998, Materials Science and Metallurgy, second edition, A Prectice Hall Company, Virginia. [5] Hatch, John E., 1994, Aluminium, Properties and Physical Metallurgy, American Sociaty for Metals, Ohio. Kesimpulan 1. Penambahan unsur TiC pada paduan aluminium A356.0 dapat merubah struktur mikro dan sifat mekanik : kuat tarik,