JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 1 Studi Eksperimental Perbandingan Pengaruh Variasi Solution Treatment pada Perlakuan Panas Precipitation Hardening T6 terhadap Sifat Mekanik Paduan Al-Si-Mg Asri Kusumaningtyas, Indra Sidharta, ST. M.Sc dan Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: sidarta@me.its.ac.id Abstrak Paduan aluminium merupakan paduan yang sering digunakan dalam industri otomotif karena memiliki ketahanan korosi dan kemampuan mampu-bentuk yang baik. Proses pembentukannya melibatkan perlakuan panas precipitation hardening T6, dimana proses tersebut memiliki kekurangan berupa waktu proses yang panjang. Waktu proses ini dapat dipersingkat dengan memanfaatkan peranan salt bath tanpa mengesampingkan tujuan dari perlakuan panas precipitation hardening T6. Tahap short solution treatment dilakukan dalam dapur salt bath dengan variasi temperatur 550 C dan 560 C, serta waktu penahanan 30 menit, 60 menit, dan 90 menit. Tahap solution treatment juga dilakukan dalam dapur konvensional sebagai pembanding. Pengujian impact dan pengamatan struktur mikro dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi perlakuan panas terhadap sifat mekanik spesimen. Hasil penelitian ini adalah seiring meningkatnya temperatur solution dan waktu penahanan, energi impact akan semakin menurun. Energi impact pada spesimen short solution treatment memiliki nilai energi impact yang lebih tinggi dibandingkan dengan energi impact pada spesimen solution treatment dan spesimen as cast. Kata Kunci paduan Al-Si-Mg, precipitation hardening T6, salt bath, solution treatment P I. PENDAHULUAN ADUAN aluminium terutama paduan Al-Si-Mg merupakan logam yang umum digunakan dalam industri otomotif. Paduan ini banyak digunakan karena memiliki kemampuan mudah dibentuk (castability) dan ketahanan korosi yang baik. Tahap fabrikasi yang sering diberikan pada komponen berbahan paduan Al-Si-Mg adalah perlakuan panas precipitation hardening T6. Proses perlakuan panas precipitation hardening T6 bertujuan untuk meningkatkan kekerasan dan ketangguhan logam paduan dengan memanfaatkan dekomposisi senyawa intermetalik dari larutan metastabil padat jenuh yang diperoleh dari tahap solution treatment dan artificial aging [1]. Kekurangan dari proses precipitation hardening T6 adalah lamanya total waktu proses selama dua belas jam dengan rincian proses solution treatment selama delapan jam dan proses aging selama empat jam. Penelitian yang dilakukan oleh Zhang dan Shivkumar [1, 2] menunjukkan bahwa waktu solution treatment dapat dipersingkat dan energi impact dapat meningkat 80% dari hasil as cast. Hal ini menunjukkan bahwa pada proses solution treatment yang dipersingkat, energi impact paduan tetap dapat meningkat dengan cukup tinggi, sehingga hasil yang didapatkan tidak jauh berbeda dari hasil proses solution treatment standar. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi perlakuan panas precipitation hardening T6 terhadap sifat mekanik material. Penelitian akan difokuskan pada pengaruh variasi temperatur dan waktu penahanan solution treatment terhadap energi impact dan struktur mikro material, dengan batasan bahwa spesimen yang digunakan dianggap homogen dan padat di seluruh bagian spesimen uji, serta pengaruh cacat dan porositas akibat proses pengecoran dapat diabaikan. II. METODOLOGI PENELITIAN Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah paduan Al-Si-Mg dengan komposisi paduan 92,845%Al-6,6%Si- 0,25%Mg. Perlakuan panas yang dikenakan pada spesimen adalah precipitation hardening T6 yang terdiri dari solution treatment, pendinginan cepat (quenching), dan dilanjutkan dengan artificial aging. Modifikasi yang dilakukan adalah dengan memperpendek waktu penahan solution treatment pada dua temperatur solution yang berbeda. Tahapan perlakuan panas dilakukan sesuai dengan gambar 1. Label (T sol, t sol ) menunjukkan bahwa temperatur dan waktu penahanan solution treatment divariasikan. Proses solution treatment dilakukan dengan menggunakan dapur salt bath pada variasi temperatur 550 C dan 560 C dengan variasi waktu penahanan 30 menit, 60 menit, dan 90 menit. Salt bath (garam cair) yang digunakan adalah campuran garam nitrat KNO 3 dan NaNO 3 dengan perbandingan massa 40:60. Proses solution treatment konvensional dilakukan dengan menggunakan dapur biasa (non-salt bath) dengan variasi temperatur 550 C dan 560 C dengan waktu penahanan selama enam jam. Proses solution treatment konvesional dilakukan dengan tujuan sebagai pembanding antara hasil penelitian dan hasil dari proses yang umum digunakan dalam dunia industri. Proses selanjutnya akan dilakukan proses pendinginan cepat (quenching) ke dalam air dengan temperatur 60 C. Kemudian proses dilanjutkan ke tahap aging, dimana spesimen dipanaskan hingga temperatur 150 C selama empat jam. Setelah waktu aging tercapai, spesimen
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 2 didinginkan secara cepat hingga temperatur ruang. Gambar 1. Skema perlakuan panas precipitation hardening T6 yang dilakukan. Label (T sol, t sol) memnunjukkan temperatur dan waktu penahan solution treatment divariasikan. Pengujian impact dilakukan dengan metode Charpy dengan dimensi spesimen uji yang sudah dibentuk sesuai dengan standar JIS H 5202 [10]. Dari pengujian yang dilakukan akan didapatkan nilai energi yang dibutuhkan untuk mematahkan tiap spesimen (Joule). Pengamatan struktur mikro dilakukan pada spesimen yang telah diberi perlakuan short solution treatment serta spesimen as cast dan spesimen dengan proses solution treatment konvensional sebagai pembanding. Preparasi spesimen disesuaikan dengan standar prosedur metalografi yang terdiri dari grinding dan polishing, dilanjutkan proses pengetsaan dengan menggunakan larutan keller yang terdiri dari campuran 1 ml HF dan 250 ml H 2 O selama dua detik, kemudian segera dicuci dengan menggunakan alohokol 98%. Struktur mikro yang tampak akan diamati lebih lanjut dengan menggunakan mikroskop optik yang dilengkapi dengan kamera digital. Struktur mikro spesimen juga akan dianalisa dengan menggunakan mikroskop elektron yang dilengkapi dengan Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) untuk mendapatkan analisa detail tentang struktur mikro dan komposisi kimia lokal dari fase yang ada. Ganbar 2. Grafik nilai energi untuk mematahakna spesimen sebagai fungsi dari waktu solution treatment pada temperatur solution treatment 550 C dan 560 C. Gambar 3. Struktur mikro spesimen as cast dengan perbesaran 500 kali III. HASIL PENELITIAN DAN DISKUSI A. Hasil Penelitian Hasil dari pengujian impact yang dilakukan dapat dilihat dalam grafik energi yang dibutuhkan untuk mematahkan spesimen (Joule) sebagai fungis dari waktu solution treatment dengan variasi temperatur solution 550 C dan 560 C (gambar 2). Secara keseluruhan, grafik menunjukkan tren yang menurun seiring bertambahnya waktu solution treatment. Selain itu, semakin tinggi temperatur solution treatment, nilai energi yang dibutuhkan akan semakin berkurang. Pada waktu solution 30 menit hingga 60 menit, spesimen pada temperatur solution 550 C mengalami penurunan nilai energi sementara spesimen pada temperatur solution 560 C mengalami kenaikan nilai energi. Spesimen pada temperatur solution 550 C dan 560 C mengalami penurunan nilai energi pada waktu solution 60 menit hingga 90 menit. Nilai energi untuk mematahkan spesimen pada kedua variasi temperatur di Gambar 4. Foto mokro spesimen hasil solution treatment pada temperatur 550 C dengan waktu penahanan (a) 30 menit (b) 60 menit (c) 90 menit (d) 360 menit dengan perbesaran 500 kali. dapur salt bath pada waktu solution 30 menit hingga 90 menit lebih tinggi dibandingkan dengan nilai energi untuk mematahkan spesimen as cast dan spesimen yang menggunakan dapur konvensional. Hasil pengujian pengamatan metalografi berupa foto mikro untuk tiap variasi pengkondisian spesimen dapat dilihat pada
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 3 Gambar 5. Foto mokro spesimen hasil solution treatment pada temperatur 560 C dengan waktu penahanan (a) 30 menit (b) 60 menit (c) 90 menit (d) 360 menit dengan perbesaran 500 kali. gambar 4, dan 5. Foto mikro spesimen as cast pada gambar 3. menunjukkan struktur mikro pada spesimen sebelum diberikan perlakuan panas. Struktur mikro yang didapatkan berupa struktur primer aluminium, partikel silikon yang tersebar merata, serta fase minor β-alfesi dan π-alfesimg. Gambar 4 dan 5 menunjukkan bahwa seiring bertambahnya waktu solution treatment, ukuran partikel silikon speroid akan semakin besar. Selain itu, jarak antar partikel silikon speroid akan semakin bertambah pula. Seiring naiknya temperatur solution treatment, pecahan partikel silikon yang terfragmentasi akan semakin sedikit, sehingga jarak antar partikel silikon speroid akan semakin besar. Ukuran partikel silikon speroid juga akan bertambah seiring naiknya temperatur solution treatment. Terlihat adanya perbedaan jika struktur mikro spesimen as cast dibandingkan dengan struktur mikro yang diberi variasi perlakuan panas precipitation hardening T6. Ukuran partikel silikon pada spesimen as cast lebih kecil dibandingkan partikel silikon pada spesimen yang diberi variasi perlakuan panas. Jarak antar partikel silikon pada spesimen as cast juga jauh lebih rapat dibandingkan spesimen yang diberi variasi perlakuan panas. Hal ini menandakan bahwa saat proses solution treatment berlangsung, banyak silikon yang terlarut ke dalam matriks. B. Diskusi Paduan Al-Si-Mg hasil gravity dies casting (as cast) yang digunakan memilki kadar silikon 6,6% dan magnesium 0,25%. Gambar 3 menunjukkan struktur mikro dari spesimen as cast dimana struktur mikro yang paling dominan adalah matriks α- Al dan paduan eutektik Al-Si disertai struktur minor π- AlFeMgSi 2 dan β-alfesi. Struktur minor Mg 2 Si yang terbentuk tidak dapat dilihat menggunakan mikroskop optic. Dari pengujian mekanik berupa pengujian impact, didapatkan nilai energi sebesar 10,7134 Joule. Zhang menyatakan bahwa pada paduan Al-Si-Mg yang diberi proses short solution treatment dalam dapur salt bath pada temperatur 540 C selama 30 menit pada dapur salt bath akan mengalami peningkatan energi impact sebesar 80% dari nilai energi impact maksimum spesimen as cast [1]. Spesimen pada temperatur solution 550 C dengan waktu solution 30 menit pada gambar 4 (a) memiliki nilai energi impact sebesar 16,0524 Joule dengan peningkatan energi impact sebesar 49,83%. Sementara untuk spesimen pada temperatur solution 560 C dengan waktu solution 30 menit pada gambar 5 (a) memiliki nilai energi impact sebesar 12,2892 Joule dengan peningkatan energi impact sebesar 14,79%. Fenomena yang terjadi sesuai dengan pernyataan Zhang [1] bahwa terjadi peningkatan nilai energi impact setelah spesimen diberi perlakuanshort solution treatment, meskipun peningkatan nilai energi impact tersebut tidak mencapai 80% dari nilai energi impact spesimen as cast. Peningkatan nilai energi impact ini disebabkan oleh pecahan partikel silikon yang tersperoidisasi saat proses short solution treatment berlangsung. Speroidisasi partikel silikon ini berpengaruh terhadap sifat mekanik spesimen, karena kondisi speroid memberikan sifat keuletan, ketangguhan, dan kemampuan mampu bentuk (machinability) yang baik. Paduan Al-Si-Mg yang diberi variasi temperatur solution dengan waktu solution yang sama akan mengalami penurunan nilai energi impact. Kenaikan temperatur solution akan menyebabkan naiknya jumlah silikon speroid dengan diameter yang lebih besar dari diameter kritisnya. Dalam hal ini rate of coarsening berperan besar, dimana rate of coarsening akan meningkat seiring naiknya temperatur solution [1]. Peningkatan rate of coarsening akan mengakibatkan peningkatan diameter partikel yang tersperoidisasi. Sesuai dengan pernyataan Zhang [1], dengan meningkatkan temperatur solution, jumlah silikon speroid dengan diameter yang lebih besar dari diameter kritisnya akan meningkat sebesar 10%. Kondisi speroid akan menyebabkan timbulnya tegangan antara partikel silikon dengan matriks sekelilingnya. Semakin banyak jumlah partikel silikon speroid dan semakin besar diameternya, maka tegangan yang ditimbulkan akan semakin besar. Inilah yang menyebabkan terjadinya penurunan energi impact pada variasi temperatur solution. Paduan Al-Si-Mg yang diberi variasi waktu solution dengan temperatur solution yang sama akan mengalami penurunan nilai energi impact. Bertambahnya waktu short solution treatment menyebabkan proses coarsening berlangsung dalam waktu yang lebih lama. Partikel silikon speroid dengan diameter yang lebih besar dari diameter kritisnya akan mengalami proses coarsening, sementara partikel silikon speroid dengan diameter yang lebih kecil dari diameter kritisnya akan larut dan bergabung dengan partikel silikon speroid yang lebih besar. Hal ini menyebabkan bertambahnya jarak antara partikel silikon speroid seiring bertambah waktu solution. Bentuk speroid pada partikel silikon memang memberikn sifat keuletan yang baik, namun dengan adanya proses coarsening jumlah partikel silikon speroid akan menurun sementara tegangan yang terjadi antara partikel silikon speroid
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 4 Gambar 6. Mapping komposisi kimia hasil pengujian SEM (a) spesimen as cast bagian pinggir (b) spesimen as cast bagian tengah (c) spesimen short solution treatment bagian pinggir (d) spesimen short solution treatment bagian tengah (e) spesimen solution treatment bagian pinggir (f) spesimen solution treatment bagian tengah dan matriks di sekelilingnya akan bertambah besar seiring bertambahnya diameter partikel. Fenomena inilah yang menyebabkan turunnya nilai energi impact seiring bertambahnya waktu solution pada temperatur solution yang sama. Peningkatan nilai energi impact yang tidak mencapai 80% dari nilai energi impact spesimen as cast disebabkan oleh kurang meratanya distribusi panas ketika proses short solution treatment berlangsung. Temperatur pada inti spesimen tidak mencapai temperatur solution yang diset pada set point, sehingga pada inti spesimen proses fragmentasi dan speroidisasi partikel silikon tedak terjadi secara sempurna, sementara proses coarsening terus berlanjut. Tidak meratanya distribusi panas juga menyebabkan partikel silikon yang terlarut tidak dapat berikatan dengan magnesium karena kurangnya energi yang dibutuhkan untuk berikatan yang membentuk Mg 2 Si. Hal ini mengakibatkan Mg 2 Si yang berperan sebagai presipitat hanya sedikit terbentuk. Oleh sebab itu, peningkatan nilai energi impact tidak mencapai 80% dari nilai energi impact spesimen as cast. Pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dilakukan pada spesimen dengan temperatur solution 560 C, karena dari hasil pengujian impact nilai energi impact pada spesimen yang diberi proses solution treatment dalam dapur konvensional pada temperatur 560 C lebih rendah dibandingkan pada temperatur 550 C. Hasil pengujian SEM dapat dilihat pada gambar 6, berupa mapping komposisi kimia dari spesimen. Pengujian SEM dilakukan untuk melihat indikasi adanya Mg 2 Si yang terbentuk setelah proses solution treatment dilakukan. Mapping hasil pengujian SEM pada spesimen as cast (gambar 6 (a) dan (b)) memperlihatkan bahwa partikel magnesium dan aluminium tersebar secara merata pada spesimen, sementara partikel silikon terkonsentrasi pada beberapa titik tertentu dengan volume kecil. Mapping pada spesimen yang diberi proses short solution treatment dengan menggunakan dapur salt bath (gambar 6 (c) dan (d)) memperlihatkan partikel magnesiu yang masih terjebak dalam matriks Al-Si eutektik. Hal ini membuktikan bahwa partikel silikon mengalami proses fragmentasi, namun tidak atau sedikit sekali proses pembentukan Mg 2 Si selama proses short solution treatment berlangsung. Jika panas yang masuk ke dalam spesimen mencukupi, maka magnesium yang terjebak pada matriks Al-Si eutektik akan keluar melalui mekanisme difusi, kemudian akan membentuk Mg 2 Si dengan partikel silikon yang terlarut. Namun pembentukan Mg 2 Si ini juga bergantung pada kadar magnesium, dimana semakin rendah kadar magnesium dalam matriks, maka Mg 2 Si yang terbentuk akan semakin sedikit. Mapping pada spesimen yang diberi proses solution treatment dengan menggunakan dapur konvensional (gambar 6 (e) dan (f)) memperlihatkan partikel magnesium yang terjebak pada aluminium dendritik dan Al-SI eutektik serta partikel silikon yang terkonsentrasi di beberapa titik dengan volume yang jauh lebih besar dari partikel silikon pada spesimen as cast. Partikel silikon pada spesimen ini memiliki volume yang jauh lebih besar dari partikel silikon pada spesimen as cast karena partikel silikon tersebut mengalami proses coarsening setelah proses fragmentasi dan speroidisasi terjadi. Partikel silikon dengan diameter yang lebih kecil dari diameter kritisnya akan larut ke dalam matriks, dan jika panas yang masuk tidak mencukupi, partikel silikon yang terlarut akan bergabung dengan partikel silikon yang tersperoidisasi sehingga volume partikel silikon tersebut akan bertambah. IV. KESIMPULAN Pada paduan Al-Si-Mg dengan kadar silikon 6,6% dan magnesium 0,25% yang diberi variasi perlakuan panas precipitation hardening T6, energi impact akan menurun seiring bertambahnya temperatur solution treatment dan bertambahnya waktu solution treatment. Hal ini disebabkan terjadinya proses fragmentasi, speroidisasi, dan coarsening pada partikel silikon dalam matriks. Seiring bertambahnya waktu solution, maka ukuran partikel silikon speroid akan bertambah besar dan jarak antar partikel akan semakin besar. Sementara seiring naiknya temperatur solution, rate of coarsening dari partikel silikon speroid akan bertambah besar sehingga jumlah partikel silikon speroid akan menurun. Peningkatan energi impact yang tidak mencapai 80% dari nilai energi impact maksimum spesimen as cast disebabkan
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 5 oleh tidak terdistribusinya panas yang masuk ke dalam spesimen secara merata. Hal ini mengakibatkan proses fragmentasi dan speroidisasi tidak terjadi secara sempurna, sementara proses coarsening terus berlangsung. Panas yang tidak terdistribusi secara merata ini juga menyebabkan tidak terbentuknya Mg 2 Si yang berperan sebagai presipitat, karena magnesium yang terjebak pada Al-Si eutektik tidak dapat keluar melalui mekanisme difusi. Namun pembentukan Mg 2 Si juga bergantung pada kadar magnesium yang terdapat dalam matriks. DAFTAR PUSTAKA [1] Zhang, D. L., et al. Effect of a short solution treatment time on microstructure and mechanical properties of modified Al-7wt.%Si- 0.3wt.%Mg alloy. Journal of Light Materials, vol. 2, page 27-36. 2002. [2] Shivkumar, S., et al. Effect of solution treatment parameters on tensile properties of cast aluminium alloys. Journal of Heat Treatment, vol. 8, page 63-70. 1990. [3] Kaufmann, J. G. Introduction to Aluminium Alloys and Tempers. Ohio: ASM International. 2000. [4] Wang, Q. G. and C. J. Davidson. Solidification and precipitation behaviour of Al-Si-Mg casting alloys. Journal of Materials Science, vol. 36, page 739-750. 2001. [5] Pedersen, L. and L. Arnberg. The effect of solution heat treatment and quenching rates on mechanical properties and microstustures in Al-Si-Mg foundry alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 32A, page 525-532. 2001. [6] Alexopoulos, N. D. and S. G. Pantelakis. Quality evaluation of A357 cast aluminium alloy specimens subjected to different artificial aging treatment. Materials and Design, vol. 25, page 419-430. 2004. [7] Kaufmann, J. G. and E. L. Rooy. Aluminium Allot Castings. Ohio: ASM International. 2004. [8] Callister, W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction, 7 th Edition. New York: John Willey and Sons. 2007. [9] Li, R. X., et al. Age hardening behaviour of cast Al-Si base alloy. Materials Letters, vol.58, page 2096-2101. 2004. [10] JSA, JIS Handbook. 2008. [11] Totten, George E. Handbook of Aluminium: Volume 1 Physical Metallurgy and Processes. USA: Marcell-Dekker.