J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3, Hal.: 175-180 ISSN 1978-1873 ABSTRACT PERANAN MODIFIER STRONTIUM TERHADAP FLUIDITAS DAN PERUBAHAN MORFOLOGI STRUKTUR SILIKON PADA MASTER ALLOY Al-7%Si DAN Al-11%Si Bambang Suharno, Is Prima Nanda dan Tri Evan Laboratorium Metalurgi Proses Departemen Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus UI Depok 164 E-mail : suharno@metal.ui.ac.id Diterima 28 Agustus 2007, perbaikan 10 Desember 2007, disetujui untuk diterbitkan 27 Desember 2007 A good castability is important to produce a complex shape with thick and thin in detail of aluminum casting part. One of factor which affecting to the castability of the molten metal on the casting process is fluidity value which represent the ability of molten metal to flow and penetrate on the mold. It is especially required to prevent the occuring of casting defect. In this research, fluidity value was examined by the vacuum suction unit. Aluminum alloys with Si content 7% and 11% were utilized. Another element was setted with lowest consentration therefore it can be negligible. The purpose of this research are to analyzed the effect of strontium modifier at the composition 0%, 0.015%, 0.03%, and 0.045% on that aluminum alloys to the fliuidity value and the microstructure, especially the formation of silicon phase. Molten metal was poured at several temperature, 660 o C, 680 o C, 700 o C, and 720 o C. The result shows that the optimum condition was achieved on the Al-7%Si with 0.03% stronstium modifier. It was displayed with highest fluidity value and produce finest granular silicon structure and spead uniformly. Whereas Al-11%Si, the optimum condition was obtained on the addition 0.045% strontium modifier. The increasing pouring temperature was produced higher fluidity value without affecting the change of microstructure. Keywords: strontium modifier, fluidity, aluminum-silicon alloy 1. PENDAHULUAN Salah satu faktor yang cukup penting dalam menghasilkan produk aluminium cor dengan ukuran ketebalan yang relatif tipis dan bentuk yang rumit adalah sifat mampu cor nya (castability). Salah satu metode yang dapat dipakai untuk mengukur sifat ini adalah nilai fluiditas logam cair (sifat mampu alir). Logam cair dengan fluiditas yang baik pada umumnya juga ditujukan untuk menghindari cacat-cacat yang sering terjadi pada benda cor 1-2). Fluiditas suatu paduan umumnya digunakan sebagai ukuran kemampuan mengisi cetakan dari suatu logam cair. Proses modifikasi adalah salah satu cara yang digunakan untuk mendapatkan nilai fluiditas yang baik dari suatu logam cair (aluminium silikon). Modifikasi paduan aluminium silikon ini dilakukan dengan cara penambahan unsur-unsur modifier pada cairan paduan aluminium, seperti kalsium, stronsium, posfor, dan antimon yang bertujuan untuk menghambat kristal-kristal silikon di dalam fasa eutektik, sehingga akan menghasilkan partikel silikon yang semula berbentuk lamel-lamel (jarum-jarum kasar), secara bertahap menjadi berbentuk granular, dan akhirnya menjadi partikel yang lebih halus (modified) dan terdistribusi merata. Struktur paduan aluminium silikon akan menjadi lebih baik dengan partikel yang lebih halus dan rata, sehingga dapat meningkatkan sifat mekanik paduan, mempermudah proses permesinan dan yang paling penting yaitu meningkatkan sifat mampu cor dari paduan aluminium silikon 3-5). Kegiatan penelitian ini diarahkan untuk mempelajari pengaruh penambahan modifier stronsium terhadap sifat mampu alir (fluiditas) paduan aluminium silikon (Al-7%Si dan Al-11%Si) dan morfologi mikrostruktur yang terbentuk. Tujuan akhirnya jika sifat mampu cor dapat ditingkatkan, maka dapat memberikan kontribusi untuk menghasilkan produk cor paduan aluminium silikon (Al-7%Si dan Al-11%Si) pada tingkat cacat (defect) yang wajar. 2. METODE PENELITIAN 2007 FMIPA Universitas Lampung 175
Bambang Suharno dkk... Peranan Modifier Strontium terhadap Fluiditas Pada penelitian ini digunakan ingot master alloy paduan aluminium-silikon tipe 7%Si dan 11%Si dengan komposisi ratarata sesuai Tabel 1 dan 2. Tabel 1. Komposisi Kimia Paduan Al-7%Si Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Pb Komposisi 92.754 7.0301 0.1314 0.0501 0.0000 0.0011 0.0015 0.0123 Tabel 2. Komposisi Kimia Paduan Al-11%Si Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Pb Komposisi 88.540 11.183 0.1671 0.0500 0.0000 0.0047 0.0015 0.0169 Selain itu, pada penelitian ini digunakan penambahan kadar modifier Sr sebesar 0.015%, 0.03%, dan 0.045% dengan paduan Al-10%Sr sebagai sumber Sr. Temperatur tuang logam cair divariasikan sebesar 660 C, 680 C, 700 C, dan 720 C. Charging material berupa master alloy paduan aluminium-silikon hingga melebur pada temperatur 750 C menggunakan dapur dengan kapasitas 1400 g dan bahan bakar berupa briket, kemudian diberi perlakuan terhadap aluminium cair menggunakan fluks dan degassing argon untuk membersihkan logam cair cari inklusi, kotoran dan gas hidrogen yang terlarut. Setelah itu dilakukan penambahan modifier Sr berupa paduan Al-10%Sr. Pengujian fluiditas menggunakan metode vacuum suction 6-7) untuk mendapatkan nilai mampu alir (fluidity) yang sesungguhnya dari logam cair dan menghilangkan faktor kesalahan akibat tekanan udara dari luar, Gambar 1. Pengujian fluiditas dengan metode vakum ini menggunakan tekanan vakum untuk mengukur nilai mampu alir logam cair dimana logam cair tersebut akan mengalir didalam copper tube dengan panjang tertentu yang merupakan nilai fluiditasnya. Gambar 1. Alat Uji Fluiditas Vacuum Suction Pengujian mikrostruktur ini menggunakan mikroskop optik untuk mengetahui perubahan mikrostruktur didalamnya, antara lain matriks aluminium dan morfologi dari jarum atau kristal-kristal silikon. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Pengaruh Sr terhadap Mikrostruktur Paduan Aluminium-Silikon Pada kondisi tanpa penambahan modifier stronsium (0%) pada paduan Al-7%Si dan paduan Al-11%Si (Gambar 2 dan 3 ), terlihat struktur eutektik silikonnya masih berbentuk jarum/serpihan dan tingkat pendistribusiannya di dalam matriks aluminium kurang merata. Struktur ini menandakan bahwa logam cair yang digunakan pada proses pengecoran belum dimodifikasi dengan menambahkan modifier stronsium untuk menghambat pertumbuhan eutektik silikon. Jika dilakukan modifikasi maka struktur eutektik silikon akan tampak lebih bulat dan halus. 176 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3 Pada penambahan modifier stronsium sebesar 0.015% pada paduan Al-7%Si dan paduan Al-11%Si (Gambar 2 dan 3 ), terlihat struktur eutektik silikon mulai tampak bulat dan halus walaupun pada beberapa bagian struktur silikon masih kasar dan berbentuk jarum/serpihan. Pada kondisi ini struktur baru mengalami partially modification atau modifikasi yang belum sempurna. Hal ini dikarenakan penambahan stronsium yang kadarnya masih terlalu rendah. (c) (d) Gambar 2. Perubahan Mikrostruktur Al-7%Si pada temperatur tuang 700 C dengan penambahan modifier Sr 0%, 0.015%, (c) 0.03% dan (d) 0.045% (c) (d) Gambar 3. Perubahan Mikrostruktur Al-11%Si pada temperatur tuang 680 C dengan penambahan modifier Sr 0%, 0.015%, (c) 0.03% dan (d) 0.045% 2007 FMIPA Universitas Lampung 177
Bambang Suharno dkk... Peranan Modifier Strontium terhadap Fluiditas Pada penambahan modifier stronsium sebesar 0.03% pada paduan Al-7%Si (Gambar 2 (c)), terlihat struktur silikon yang bulat dan tersebar merata atau fully modified. Sementara untuk paduan Al-11%Si (Gambar 3 (c)), terlihat struktur eutektik silikon yang agak kurang halus dan merata dibandingkan dengan penambahan modifier stronsium sebesar 0.015%. Pada penambahan modifier stronsium sebesar 0.045% pada paduan Al-7%Si (Gambar 2 (d)), terlihat struktur silikon yang sebenarnya tidak terlalu jauh berbeda dengan penambahan modifier stronsium sebesar 0.03%. Sementara untuk paduan Al-11%Si (Gambar 3 (d)), terlihat struktur eutektik silikon yang lebih halus dan tersebar merata dibandingkan dengan penambahan modifier stronsium sebesar 0.03%. 3.2. Pengaruh Modifier Sr terhadap Fluiditas Paduan Aluminium-Silikon Al-7%Si Grafik Fluiditas Sr vs Variabel Sr A l-11%si Grafik Fluiditas Sr vs V ariabe l Sr 36 22 20 34 Panjang fluiditas (cm) 18 16 14 12 Panjang Fluiditas (cm) 32 30 28 10 8 26 6 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Modifier Stronsium (wt%) Modifier Stronsium (wt%) Gambar 4. Penambahan modifier stronsium vs fluiditas paduan Al-7%Si dan paduan Al-11%Si dengan variasi temperatur tuang Dari Gambar 4, dengan semakin meningkatnya penambahan modifier, maka terjadi perubahan fluiditas yang tidak terlalu stabil. Kecenderungan fluiditas optimum didapat ketika penambahan modifier stronsium sebesar 0.03%. Sementara fluiditas minimum didapat ketika penambahan modifier stronsium sebesar 0.045%. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan modifier stronsium dalam paduan Al-7%Si harus dalam jumlah yang tepat agar perubahan struktur silikon dari kasar menjadi lebih bulat dan halus dapat terjadi dengan hasil ideal, karena hal ini akan menyebabkan aluminium cair lebih mudah mengalir. Dari Gambar 4, dengan penambahan modifier stronsium sebesar 0.015% sampai 0.03% pada temperatur tuang 680 o C, 700 o C, dan 720 o C, terjadi peningkatan fluiditas dari paduan Al-7%Si. Sedangkan pada penambahan modifier stronsium sebesar 0.045% dengan temperatur tuang yang sama terjadi penurunan fluiditas setelah mencapai titik optimum pada 0.03%. Hasil ini serupa juga dijumpai untuk fluiditas optimum paduan A356 dicapai dengan penambahan modifier stronsium sebesar 0.02-0.03% 4). Dari Gambar 4, dengan semakin meningkatnya penambahan modifier, maka terjadi perubahan fluiditas yang tidak terlalu stabil. Kecenderungan fluiditas optimum didapat ketika penambahan modifier stronsium sebesar 0.045%. Jika dibandingkan dengan Al-7%Si, maka pada Al-11%Si untuk mencapai fluiditas optimum dibutuhkan penambahan modifier stronsium yang lebih besar. Hal ini disebabkan kandungan silikon yang dimiliki Al-11%Si lebih tinggi daripada Al-7%Si, akibatnya untuk memodifikasi struktur eutektik silikon didalamnya, diperlukan penambahan modifier stronsium yang lebih besar pula. Sementara fluiditas minimum didapat ketika penambahan modifier stronsium sebesar 0.015-0.03%. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan modifier stronsium dalam paduan Al-11%Si harus dalam jumlah yang tepat agar perubahan struktur eutektik silikon dari yang berbentuk kasar menjadi lebih bulat dan halus dapat terjadi dengan hasil yang ideal, karena hal ini akan menyebabkan aluminium cair lebih mudah mengalir. Dari Gambar 4 ditunjukkan 178 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Edisi Khusus Tahun 2007, Vol. 13, No. 3 bahwa penambahan modifier stronsium sebesar 0.03% sampai 0.045% pada temperatur tuang 660 C, 680 C, 700 C, dan 720 C, terjadi peningkatan nilai fluiditas dari paduan Al-11%Si. Fluiditas optimum paduan A413 umumnya juga dicapai dicapai dengan penambahan modifier stronsium sebesar 0.04% 4). 3.3. Pengaruh Temperatur Tuang terhadap Fluiditas Paduan Aluminium-Silikon Al-7%Si Grafik Fluiditas Sr vs Temperatur Al-11%Si Grafik Fluiditas Sr vs Temperatur 36 22 34 20 Panjang Fluiditas (cm) 18 16 14 12 Panjang Fluiditas (cm) 32 30 28 10 26 8 6 650 660 670 680 690 700 710 720 730 650 660 670 680 690 700 710 720 730 Temperatur Tuang (0C) Temperatur Tuang (0C) Gambar 5. Temperatur tuang vs fluiditas paduan Al-7%Si dan paduan Al-11%Si dengan variasi penambahan modifier stronsium Dari Gambar 5, dengan semakin meningkatnya temperatur tuang paduan Al-7%Si, mulai dari 660 o C sampai dengan 720 o C, diperoleh fluiditas yang semakin meningkat pula. Kecenderungan ini terjadi pada semua variasi penambahan modifier stronsium, yaitu pada 0%, 0.015%, 0.03%, dan 0.045%. Hal yang sama juga terjadi pada paduan Al-11%Si, seperti bisa dilihat pada Gambar 5. Semakin tinggi temperatur tuang maka akan dihasilkan nilai fluiditas yang semakin meningkat pula. Temperatur penuangan memiliki hubungan yang linear dengan fluiditas suatu logam maupun paduannya. Temperatur tersebut menentukan proses solidifikasi dalam mengendalikan durasi aliran, yaitu berupa kuantitas panas yang dilepas sebelum proses solidifikasi. 4. KESIMPULAN Fluiditas akan meningkat hingga titik optimum seiring dengan penambahan modifier stronsium dan turun kembali saat terjadi overmodified. Untuk paduan Al-7%Si, fluiditas optimum (tertinggi) dicapai saat penambahan modifier stronsium sebesar 0.03%. Sedangkan untuk paduan Al-11%Si, fluiditas optimum dicapai saat penambahan modifier stronsium sebesar 0.045%. Penambahan modifier stronsium memberikan pengaruh terhadap perubahan bentuk struktur maupun distribusi dari struktur silikon. Pada paduan Al-7%Si penambahan modifier sebesar 0.03% akan menghasilkan struktur silikon yang lebih bulat dan halus (fully modified) dan tersebar merata pada matriks aluminium, sedangkan penambahan modifier sebesar 0.045% akan terjadi perubahan struktur silikon yang kurang halus dan merata (overmodified). Untuk paduan Al-11%Si, struktur silikon yang lebih bulat dan halus (fully modified) serta tersebar merata pada matriks aluminium, terjadi pada saat penambahan modifier sebesar 0.045%. Penambahan modifier stronsium yang tepat (optimum) pada paduan aluminium silikon (Al-7%Si dan Al-11%Si), akan menghasilkan reaksi perubahan struktur silikon yang ideal (bulat, halus dan merata pada matriks aluminium). Untuk paduan Al-7%Si dengan penambahan modifier stronsium, temperatur tuang yang direkomendasikan adalah diatas 700 o C. Jika temperatur tersebut kurang maka efek modifikasi dari modifier stronsium sudah tidak lagi dominan dibandingkan dengan temperatur tuang diatas 700 o C. Sedangkan untuk paduan Al-11%Si dengan penambahan modifier stronsium, temperatur tuang yang direkomendasikan adalah 660-700 C. 2007 FMIPA Universitas Lampung 179
Bambang Suharno dkk... Peranan Modifier Strontium terhadap Fluiditas UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan banyak terima kasih pada PT. Aluminium Alloy Abadi, Bekasi yang telah memberikan fasilitas peleburan, bahan baku aluminium murni serta aluminium silikon untuk membuat master alloy yang digunakan pada penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA 1. Gruzleski, J. and Closset, B. 1990. The Treatment of Liquid Aluminium-Silicon Alloys. American Foundrymens Society Inc, USA. 92-93 p. 2. Stefanescu, D.M. 1988, Metals Handbook Ninth Edition Volume 15 Casting, ASM International. Ohio, 165 p. 3. Jorstad, J.L. and Rasmussen, W.M. 1993. Aluminum Casting Technology 2nd Edition. American Foundrymens Society. Illionis, 32-43 p. 4. Tenekedjiev, N., Mulazimoglu, H., Closset, B., and Gruzleski, J. 1995. Microstructures and Thermal Analysis of Strontium-Treated Aluminum-Silicon Alloys. American Foundrymens Society Inc. USA. 46, 50, 74-75 p. 5. Sanchez, S., Velasco, E., Zambrano, P. 2006. Effect of Titanium and Strontium Addition on The Fluidity of A319 and A356 Aluminum Alloys, Material Science Forum, Vol. 509 : 159-164. 6. Suharno, B., Nanda, I.P., Harjanto, S. And Lirachandra, E. 2007. The Influence of Grain Refiner Effect on Dendrite Arm Spacing of Aluminum ADC 12, Indonesian Journal of Materials Science, 8 (2): 121-1. 7. Suharno, B., Nanda, I.P., dan Hardi, T. 2007. Peranan Modifier Stronsium Tehadap Pembentukan Intermetalik AlFeSi dan Nilai Fluiditas Paduan Aluminium Silikon Eutektik (Al-Si-11%), Prosiding Seminar Nasional Metalurgi dan Material I, Universitas Indonesia, Depok 7 9 Agustus 2007, pp. 151-157 180 2007 FMIPA Universitas Lampung