Please refer as: M. Fani Indarto dan Bondan T. Sofyan, Pengaruh Temperatur dan Waktu Tahan Perlakuan Pelarutan Terhadap Pengerasan Penuaan Paduan AC4B dengan Kandungan 0.078 wt % Ti dan 0.02 wt.% Sr, Prosiding Seminar Nasional Metalurgi dan Material IV, Untirta Cilegon, 14-15 Juli 2010.
Scanned by CamScanner
Pengaruh Temperatur dan Waktu Tahan Perlakuan Pelarutan Terhadap Pengerasan Penuaan Paduan AC4B dengan Kandungan 0.078 wt % Ti dan 0.02 wt.% Sr M. Fani Indarto dan Bondan T. Sofyan *) Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424 *) corresponding author: bondan@eng.ui.ac.id ABSTRAK Penambahan penghalus butir dan modifier pada paduan aluminium AC4B dapat menghaluskan butir menjadi lebih kecil dan memodifikasi morfologi silikon yang kasar menjadi lebih halus, yang akan mempengaruhi kemampuan paduan untuk dikeraskan. Penelitian ini mempelajari pengaruh temperatur dan waktu perlakuan pelarutan terhadap pengerasan penuaan paduan AC4B dengan kandungan 0.078 wt % Ti dan 0.02 wt % Sr. Dengan temperatur yang lebih tinggi, yakni 520 o C dan waktu tahan 30 menit perlakuan pelarutan mendapatkan kekerasan puncak tertinggi sebesar 63.32 HRB. Waktu tahan yang lebih lama akan lebih melarutkan fasa interdendritik dalam paduan sehingga lebih halus dan tersebar dalam matrik Al. Kata Kunci : AC4B, penghalus butir, modifier, Ti, Sr, perlakuan pelarutan, pengerasan penuaan. 1. Pendahuluan Paduan Al-Si-Cu merupakan material yang sering digunakan pada pembuatan komponen otomotif seperti cylinder head. Paduan yang sering digunakan untuk komponen tersebut salah satunya adalah paduan AC4B atau setara dengan A.333.0. Komponen tersebut dihasilkan dengan metode pengecoran Low Pressure Die Casting (LPDC). Pengecoran menggunakan metode ini sering terdapat cacat, diantaranya penyusutan, porositas, misrun. Penambahan penghalus butir (Ti) dan modifier (Sr) dapat mengurangi cacat tersebut (Fallah, 2009). Setelah hasil pengecoran dengan penambhan penghalus butir dan modifier dilakukan proses T6 temper diharapkan untuk meningkatkan kekuatan dari paduan tersebut. Dengan proses T6, pada perlakuan pelarutan akan membantu untuk memerangkap vacancy serta melarutkan fasa-fasa yang terdapat pada paduan tersebut terutama Cu. Selain itu, adanya unsur Sr dalam paduan akan membantu melarutkan fasa-fasa menjadi lebih cepat (Samuel et al, 2003). Pada perlakuan pelarutan temperatur yang lebih tinggi dan waktu yang lebih lama akan lebih mudah melarut dan mendistribusikan fasa interdendritik kedalam matrik Al. Proses pengerasan penuaan akan membentuk presipitat dari fasa yang terlarut tersebut. Pada paduan Al-Si-Cu akan membentuk presipitat Al2Cu pada matriks Al. Selain itu dengan adanya penambahan Ti akan meningkatkan kekuatan pada paduan setelah dilakukan proses penuaan (Golbahar, 2008). Dengan terebentuknya presipitat akan mengatkan padauan teresebut dengan menghalangi dislokasi yang ada. Kekerasan hasil pengerasan penuaan tergantung dari sifat koherensi dari presipitat. Dimana dengan presipitat yang koheren akan memiliki kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan presipitat inkoheren (Smallman, 1991). Pada penelitian ini mempelajari pengaruh temperatur dan waktu perlakuan pelarutan terhadap pengerasan penuaan pada paduan AC4B dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.002 wt. % Sr, dengan mengamati kekerasan dan perubahan struktur mikro yang terjadi. 2. Metode Penelitian Sampel dipotong dari komponen cylinder head hasil LPDC pada bagian tipis. Terdapat dua jenis komposisi paduan yang digunakan yang ditunjukkan pada Tabel 1. Sampel dilakukan perlakuan pelarutan pada temperatur 480 o C, 500 o C, dan 520 o C dengan waktu tahan masing-masing 30 dan 120 menit pada dapur Carbolite. Setelah itu, 1
sampel dicelup pada media air dengan temperatur 30 + 2 o C, dan mengalami penuaan pada temperatur 200 o C selama 96 jam dengan dapur Naberthem seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Perubahan kekerasan selama penuaan diamati pada kondisi as-quenched, 0.083, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 24, 48, 72, 96 jam dengan menggunakan metode Rokwell B dengan diameter bola baja 1/16 inch beban sebesar 100 kgf sesuai dengan ASTM E18. Struktur mikro diamati dengan mikroskop optik dengan preparasi standar menggunakan etsa Tucker (45 ml HCl + 15 ml HNO3 + 15 ml HF (48%) + 25 ml H2O). Juga dilakukan pengamatan struktur mikro menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) / Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDX). Tabel 1. Komposisi (dalam wt. %) paduan yang dipakai pada penelitian ini Paduan Si Cu Mg Fe Mn Ni Ti Pb Sn Cr Sr Al AC4B (Sampel A) 9.58 2.78 0.261 0.746 0.307 0.068 0.028 0.05 0.023 0.018 - sisa AC4B + Ti + Sr 9.28 2.61 0.223 0.668 0.258 0.065 0.078 0.057 0.03 0.019 0.019 (Sampel B) sisa 3. Hasil Penelitian dan Pembahasan Gambar 1. Skema perlakuan panas Pengaruh Temperatur dan Waktu Tahan Perlakuan Pelarutan Terhadap Pengerasan Penuaan Paduan AC4B Sebelum dan Sesudah Penambahan dengan Kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.019 wt. % Sr. Gambar 2 menunjukkan pengaruh temperatur dan waktu tahan terhadap kurva pengerasan penuaan, dimana kekerasan as-cast dari sampel A dan B, masing-masing sebesar 41.86 HRB dan 48.32 HRB. Dari kurva tersebut terlihat kenaikan kekerasan pada tiap kondisi setelah dilakukan proses pengerasan penuaan. Pada Gambar 2(a) temperatur 480 o C terlihat pada waktu tahan yang lebih lama memiliki kekerasan yang lebih tinggi. Hal ini dimungkinkan pada kondisi ini perlakuan pelarutan waktu tahan yang singkat kurang untuk memerangkap vacancy dan melarutkan fasa yang kaya akan Cu. Gambar 2 (b dan c) menunjukkan bahwa dengan temperatur yang lebih tinggi yakni 500 dan 520 o C kekerasan didapatkan lebih tinggi pada waktu tahan yang lebih singkat yaitu 30 menit, yakni sampel A masing-masing 59.20 HRB dan 59.58 HRB, pada sampel B masing-masing 62.28 HRB dan 63.22 HRB. Hal tersebut dapat dibandingkan pada penelitian sebelumnya dengan paduan aluminium AC8A dengan perlakuan pelarutan waktu tahan yang lebih singkat pada temperatur 520 o C memiliki kekerasan yang lebih tinggi setelah dilakukan penuaan (Eidhed, 2008). Sedangkan pada waktu tahan pelarutan yang lebih lama memiliki kekerasan yang lebih rendah, karena dengan waktu tahan yang lebih lama akan lebih melarutkan fasa interdendritik dan mengubah bentuk morfologi dari silikon menjadi halus dan dapat meningkatkan keuletan(zhang et al, 2002). 2
Temperatur yang lebih tinggi dan waktu tahan yang lebih singkat (Gambar 2 (b, c)) memiliki kekerasan yang lebih tinggi, dan pengaruhnya lebih dominan pada sampel dengan kandungan Ti dan Sr. Hal ini karena Sr memodifikasi bentuk silikon dari tajam dan kasar menjadi lebih bulat dan halus, sehingga luas permukaan dari silikon yang telah termodifikasi menjadi lebih kecil dan pada temperatur yang lebih tinggi, pelarutan menjadi lebih cepat (Eidhed, 2008). Akibatnya, kandungan unsur terlarut di dalam dendrit menjadi lebih tinggi dan meningkatkan jumlah presipitat yang terbentuk saat penuaan. As-quenched (a) As-quenched (b) As-quenched (c) Gambar 2. Perbandingan kurva pengerasan penuaan paduan AC4B (sampel A)dan dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr (sampel B) pada perlakuan pelarutan temperatur (a) 480 o C, (b) 500 o C, dan (c) 520 o C. 3
Pengamatan Struktur Mikro Gambar 3 menunjukkan struktur mikro as-quenched pada sampel A dan B pada perlakuan pelarutan 500 o C dan waktu tahan 30 dan 120 menit. pada Gambar 3(a) terlihat struktur mikro yang kaya akan matrik Al dan fasa-fasa interdendritik yang terdapat pada paduan tersebar dan kasar. Hal ini ini dikarenakan pada waktu tahan yang singkat pada paduan AC4B tanpa penambahan tidak melarutkan fasa interdendritik secara signifikan. a AC4B (Sampel A) AC4B +Ti + Sr (Sampel B) b c d 50μm Gambar 3. Struktur mikro kondisi as-quenched paduan aluminum AC4B (sampel A) tanpa dan dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr (sampel B) pada perlakuan pelarutan (a,b) 30 menit (c,d) dan 120 menit. Dibandingkan dengan sampel A, penambahan Ti dan Sr pada perlakuan pelarutan selama 30 menit (Gambar 3 b), menyebabkan fasa interdendritik berubah menjadi lebih halus dan tersebar di dalam matriks Al. Fenomena yang sama ditemukan dengan penambahan waktu pelarutan menjadi 120 menit, yang semakin melarutkan fasa interdendritik, dan fenomenanya diperkuat dengan penambahan Ti dan Sr (Gambar 3 c dan d). Terjadi sphereodisasi dan fragmentasi fasa interdendritik yang menjadikannya lebih halus serta terdistribusi pada matrik Al (Tillova, 2008). Dengan makin halusnya fasa interdendritik maka akan menurunkan kekerasan dan akan meningkatkan keuletan paduan aluminium. Gambar 4 menunjukkan evolusi struktur mikro sampel A dan B selama proses penuaan dengan perlakuan pelarutan pada temperatur 500 o C dan waktu tahan 30 menit, dimana diambil pada kondisi under-aged, peak-aged, dan over aged. Pada sampel A kondisi tersebut diamati pada penuaan selama 30 menit, 8 jam dan 72 jam. Dengan pengamatan mikroskop optik hanya dapat dilihat perubahan struktur dendrit dan fasa interdendritik. Pada Gambar 4(a) kondisi under-aged terlihat dengan bentuk dendrit Al yang memiliki ukuran yang besar dan fasa-interdendritik yang kasar pada matrik Al. Pada Gambar 4(b) kondisi peak-aged struktur dendrit lebih kecil dan fasa-fasa interdendritik menjadi halus dan terdistribusi pada paduan, sesuai dengan penelitian oleh Baskoro (2005). 4
Under-aged Peak-aged Over-aged a b c d e f Gambar 4. Evolusi struktur mikro selama proses penuaan pada temperatur perlakuan pelarutan 500 o C waktu tahan 30 menit pada paduan (a-c) AC4B dan (d-f) AC4B dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr 50μm Pada sampel B tidak jauh berbeda perubahan struktur mikro dengan sampel A. Pada kondisi over-aged dengan waktu penuaan 72 jam (Gambar 4 f) terlihat dendrit menjadi lebih besar dan terlihat jarak lengan dendrit lebih besar dibandingkan dengan kondisi under-aged dan peak-aged. Nilai kekerasan juga dipengaruhi oleh presipitat yang terbentuk dalam paduan selama proses penuaan. Kenaikan kekerasan paduan dipengaruhi oleh koherensi presipitat. Diperkirakan pada kondisi peak-aged yang memiliki kekerasan tertinggi, yakni 62.28 HRB untuk sampel B pada perlakuan pelarutan 500 o C selama 30 menit, berkorelasi dengan keberadaan presipitat semikoheren. Pada pengamatan struktur mikro menggunakan mikroskop optik tidak dapat diamati keberadaan presipitat. Pengamatan presipitat dapat dilakukan dengan menggunakan Transmission Electron Microscope (TEM). Pengamatan Struktur Mikro menggunakan SEM / EDX Gambar 5 merupakan pengamatan struktur mikro pada sampel A dan B pada kondisi peak-aged dengan perlakuan pelarutan 500 o C selama 30 menit, sementara hasil analisis mikro menggunakan EDX ditampilkan pada Tabel 2. Pada Gambar 5 (a) hasil pengamatan pada sampel A pada fasa nomor 2 dan 3 diindikasikan sebagai fasa intermetalik Al(Fe,Mn)Si, sesuai dengan bentuk jarumnya dengan kandungan Fe yang cukup besar yakni, 20.92 wt % Fe. Sementara fasa nomor 4 diindikasikan sebagai Al2Cu, sesuai kandungan dan morfologinya yang agak bulat. Fasa nomor 6 adalah fasa 5
silikon eutektik dilihat dari komposisi dan dengan bentuk panjang dengan warna abuabu gelap. Sementara itu pada Gambar 5(b) terlihat pada titik 1, 2, dan 3 terdapat kandungan Ti. Penting untuk mengetahui kandungan Ti dalam paduan, karena Ti akan meningkatkan kekuatan paduan setelah dilakukan proses pengerasan penuaan (Golbahar, 2008). Kandungan Sr pada hasil pengamatan tidak terindentifikasi, hal ini dimungkinkan karena kandungan Sr yang sangat kecil serta tidak adanya interaksi kimia antara Al dan Sr, sesuai indikasi dari diagram fasa Al-Sr. Secara umum, jenis fasa intermetalik identik dengan fasa yang terdapat pada paduan dasar AC4B. Kembali, presipitat tidak dapat diamati, kecuali menggunakan TEM. (a) (b) Gambar 5. Struktur mikro (SEM) kondisi peak-aged setalah perlakuan pelarutan pada temperatur 500 o C dengan waktu tahan 30 menit pada paduan (a) AC4B dan (b) AC4B dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr. Tabel. 2 Hasil analisis komposisi EDX Gambar 5 (a) paduan AC4B dan (b) AC4B dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr Komposisi No Sampel Gambar Al Si Cu Ti Fe Mn C O A B a b Warna Fasa yang Mungkin Terbentuk 1 25.80 73.20 - - - - - 0.96 abu-abu Al-Si 2 58.50 5.38 9.20-19.10 6.45-1.42 abu-abu muda Al(Fe,Mn)Si 3 56.10 5.68 8.23-20.90 7.44 0.94 0.65 abu-abu muda berbentuk jarum Al(Fe,Mn)Si, FeMnAl 6 4 88.50 1.56 5.37 1.38-0.91 1.43 0.87 abu-abu muda Al 2 Cu, Al 3 Ti 5 85.40 1.48 7.06 - - - 1.68 4.34 abu-abu muda Al 2 Cu 6 13.10 75.70 9.48 - - - - 1.26 abu-abu tua silikon eutektik 1 74.81 1.21 15.51 4.41 - - - 5.05 abu-abu muda Al 2 Cu, Al 3 Ti 2 45.70 12.30 16.27 1.26 17.21 4.06-3.20 abu-abu muda Al(Fe,Mn)Si, AlFeSi 3 92.67 1.48 3.21 1.48 - - - 1.82 abu-abu tua Matriks Al 4 64.94 3.54 15.29-10.67 3.75-1.78 putih, abu-abu Al 2 Cu, muda Al(Fe,Mn)Si 5 50.45 10.02 16.31-17.17 4.47-1.58 abu-abu muda Al 2 Cu, Al(Fe,Mn)Si 6 20.98 75.32 - - - - - 3.71 abu-abu muda AlSi, Si eutektik 4. Kesimpulan 1. Pada paduan AC4B dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr meningkatnya temperatur perlakuan pelarutan mempercepat untuk mendapatkan kekerasan puncak pada proses penuaan T = 480 o C kekerasan puncak didapat pada waktu penuaan 2 jam. 6
T = 500 o C kekerasan puncak didapat pada waktu penuaan 1 jam. T = 520 o C kekerasan puncak didapat pada waktu penuaan 30 menit. 2. Adanyan kandungan Ti dan Sr pada paduan AC4B mempersingkat proses perlakuan pelarutan. 3. Waktu perlakuan pelarutan yang singkat dapat memiliki nilai kekerasan yang lebih tinggi pada paduan AC4B dengan kandungan 0.078 wt. % Ti dan 0.02 wt. % Sr seletah dilakuakn pproses penuaan. 4. waktu perlakuan pelarutan yang lebih lama akan membuat fasa-fasa interdenritik makin terlarut pada matriks Al. 5. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini dibiayai melalui skema Hibah Kompetensi Dikti tahun 2010. 6. Daftar Pustaka Baskoro, Adhi. 2005. Studi Penambahan 0.1, 0.5, 1, dan 2 wt. % Sn Terhadap Proses Pengerasan Pengendapan Pada Paduan AC2B dengan Pengamatan Lebih Mendalam Pada 0.5 wt. % Sn. Departemen Metalurgi dan Material Universitas Indonesia. Eidhed, Witthaya. 2008. Effects of Solution Treatment Time and Sr-Modification on Micostructure and Mechanical Properties of Al-Si Piston Alloy. Journal Material Science Technology Volume 24. 29-32. Falah, M. Azi. 2009. Studi Pengaruh Kombinasi Komposisi 0.02 wt. % Sr dan 0.063, 0.083 dan 0.108 wt. % Ti terhadap Karakteristik Paduan Aluminium AC4B Hasil Proses Low Pressure Die Casting. Depok : Departemen Teknik Metalurgi dan Material Universitas Indonesia. Golbahar, Benham.. 2008. Effect of Grain Refinement Modification Interaction on performance of A.356.2 Alloy. Canada : University of Quebec. Samuel, A.M. Liu L. Samuel, F.H. Doty. Valtiera. 2003. Characteristic of α dendritic and eutectic structure in Sr treated Al-Si containing Alloy. Journal of Material Science. 38. 4507-4522. Smallman. R.E. 1991. Metalurgi Fisik Modern edisi keempat terjemahan Sriati Djaprie, Bustanul Arifin, Myrna A. Gramedia : Jakarta Tillova, E, Panuskova. 2008. Effect of Solution Treatment on Intermetallic Phases Morphology in AlSi 9 Cu 3 Cast Alloy. Metalurgija. 47. 207-210. Zhang, D.L, L.H. Zheng, D.H. StJohn. 2002. Effect of Solution Treatment time on Microstructure and Mechanical Properties of Modified Al-7 wt. % Si 0.3 wt. % Mg Alloy. Journal of Light Metals. 27-36 7