JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
1
Analisis Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Paduan Al-Mg Hasil Proses Metalurgi Serbuk M. Muzakki Sholihuddin, Hariyati Purwaningsih Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak Paduan berbasis aluminium merupakan salah satu paduan yang banyak sekali manfaatnya dalam dunia industri. Salah satu manfaatnya adalah sebagai struktur pesawat terbang. Banyak cara yang dilakukan untuk mensintesa paduan ini. Salah satunya adalah metalurgi serbuk, dengan penambahan benzene. Penambahan benzene berfungsi menghindari gesekan serbuk Al dan Mg dengan cetakan saat di kompaksi. Kompaksi dilakukan dengan beban 150 Mpa. Dalam penelitian ini juga dilakukan proses sintering terhadap paduan setelah dilakukan mixing dan kompaksi. Sintering dilakukan pada temperatur 4000C selama 2 jam. Identifikasi material dilakukan menggunakan XRD, SEM-EDX, Metallografi, dan Hardness. Banyak faktor yang berpengaruh terhadap sifat mekanik paduan Al-Mg, maka dalam penelitian kali ini melibatkan serbuk Al, dan penambahan serbuk Mg dengan 2% berat dan 5% berat. Di harapkan dengan penambahan serbuk Mg dapat memperbaiki struktur mikro dan sifat mekanik paduan berbasis aluminium dibandingkan dengan alumunium murni. Kata Kunci : Al ,Mg, Paduan Al-Mg, Metalurgi serbuk,
A
I. PENDAHULUAN
luminium adalah logam yang paling banyak terdapat di kerak bumi, dan unsur ketiga terbanyak setelah oksigen dan silikon. Aluminium terdapat dikerak bumi kira-kira 8,07% hingga 8,23% dari seluruh massa padat dari kerak bumi, dengan produksi tahunan dunia sekitar 30 juta ton pertahun. [1] Selama 50 tahun terakhir aluminium telah menjadi logam yang luas penggunaannya setelah baja. Perkembangan ini didasarkan pada sifat-sifat nya yang ringan, tahan korosi, kekuatan dan ductility yang cukup baik (aluminium paduan). Yang paling terkenal adalah penggunaan aluminium sebagai bahan pembuat pesawat terbang yang memanfaatkan sifat ringan dan kuat nya. [2] Magnesium (Mg) merupakan logam paling ringan diantara logam yang biasa dipakai dalam suatu struktur. Magnesium merupakan unsur yang termasuk melimpah keberadaannya di bumi. Dari sifat logam aluminium yg baik serta logam magnesium yg melimpah keberadaan ny di bumi, maka banyak penelitian yang membuat paduan AlMg ataupun paduan Al-Mg dengan logam yang lain misalnya logam besi (Fe). [3]
Paduan aluminum magnesium (Al-Mg) merupakan salah satu paduan aluminium yang sering digunakan untuk aplikasi teknik dalam bidang industri. Paduan ini banyak digunakan karena mempunyai ketahanan dan mampu tuang yang baik. Paduan aluminum magnesium dapat ditingkatakan kemampuan mekanisnya dengan cara memberikan penambahan unsur Mg dan Fe, juga unsur penghalus butir. Penambahan kadar Mg dalam jumlah yang besar dapat menaikan kekerasan dan kekuatan tarik pada paduan, tetapi menurunkan regangan. [4] Perolehan peningkatan sifat mekanik memanfaatkan unsur-unsur yang terkandung di dalam bahan baku Aluminium murni yaitu kandungan Si dan Fe yang dikombinasikan dengan logam Magnesium yang ditambahkan. [5] Paduan Al-Mg sering disebut Hidronalium, merupakan paduan dengan tingkat ketahanan korosi yang paling baik dibandingkan dengan paduan aluminium lainnya. [6] Ada beberapa metode yang digunakan untuk mensintesis aluminium dengan magnesium, seperti mechanical alloying, mechanical milling, solkjaer, mixing, dan lain-lain. Pada penelitian ini digunakan metode mixing [7] dengan penambahan benzene. Penambahan benzene berfungsi untuk menghindari gesekan serbuk Al dan Mg dengan cetakan pada saat di kompaksi. Kompaksi dilakukan dengan beban 150 M pa. Dalam penelitian ini juga akan dilakukan proses sintering [8] terhadap paduan setelah dilakukan mixing dan kompaksi. Sintering sendiri adalah suatu metode metalurgi serbuk yang didasarkan pada difusi atom. [9] Difusi akan terjadi dengan cepat jika dalam keadaan temperatur yang tinggi dibawah titik lebur bahan. Fungsi dari sintering yaitu dapat mengubah sifat dari bahan yang di sintering. Sintering dilakukan dengan temperatur 4000C selama 2 jam. Banyak faktor yang berpengaruh terhadap sifat mekanik paduan Al-Mg, maka dalam penelitian ini digunakan variasi % berat Magnesium pada paduan Al-Mg. Di harapkan dengan variasi % berat Magnesium dapat diketahui kadar % berat Magnesium yang paling baik pada paduan Al-Mg, untuk meningkatkan sifat mekanik dan struktur mikro pada paduan Al-Mg. Penelitian ini mengamati dan menganalisa pengaruh Magnesium terhadap struktur mikro dan sifat mekanik paduan Al-Mg.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 II. URAIAN PENELITIAN II.1. Bahan Preparasi awal material menggunakan serbuk Al (Merck, kemurnian 99,7%), Mg (Merck, kemurnian 90%). PCA yang digunakan ketika mixing adalah benzene. Gas argon digunakan saat proses pemanasan.
2 difraksi Al dan Mg. (dijelaskan pada gambar 2 dan gambar 3).
II.2. Metode Metode yang digunakan dalam penelitian ini sintesa Aluminium dan Magnesium dengan proses Mixing. Mixing dilakukan menggunakan alat cawan penggerus dengan ditambahkan benzene. Furnace yang digunakan adalah model Tube Furnace. Proses pemanasan dilakukan dalam keadaan vakum dengan dialiri gas argon. II.3 Analisis Analisa distribusi ukuran partikel setelah proses mixing dilakukan dengan menggunakan Sieving. Analisa perubahan fasa yang terjadi pada serbuk dan pellet hasil mixing dan sintering dikarakterisasi menggunakan XRD Phillips X’Pert MPD System (X-Ray Diffraction) dengan CuKα sebesar 1.54056 Å dan range sudut sebesar 10o-90o. Hasil XRD dianalisa dengan menggunakan software High Score Plus. Karakterisasi struktur mikro hasil kompaksi dan sintering berupa pellet menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) FEI tipe INSPECT S50, dan Metallografi Olympus GX71. Sedangkan analisa sifat mekanik kekerasan menggunakan pengujian Micro Vickers Hardness Bouhler. III. DATA DAN PEMBAHASAN Serbuk hasil mixing dilakukan pengujian sieving untuk mengetahui distribusi partikel yang terdapat pada paduan. Tabel 1 adalah hasil pengujian sieving pada spesimen serbuk Al pure, Al + 2%Mg, dan Al + 5%Mg. Mixing yang dilakukan menunjukkan jarak distribusi ukuran partikel t. Pengaruh penambahan Mg terhadap paduan Alumunium membuat ukuran partikel semakin besar. Tabel 1 Distribusi ukuran partikel
Ukuran Partikel
Al Murni (%)
Al + 2%Mg (%)
Al + 5%Mg (%)
>224µm
21,35
25,55
23,77
140-224 µm
15,46
22,09
19,03
<140 µm
63,19
52,36
57,20
Gambar 1 a dalah hasil pengujian XRD pada serbuk setelah dilakukan mixing. Untuk serbuk Al murni yang ditunjukan oleh grafik (a), terdapat peak yang menunjukan unsur Al. Pada grafik (b) yaitu pada serbuk Al + 2%Mg menunjukan model yang sama dimana hanya terdapat peak untuk Al. Pada grafik (c) yaitu serbuk Al + 5% M g juga menunjukan model yang sama tetapi terdapat peak untuk Mg. Bila dilihat secara sepintas terlihat memang tidak terjadi perubahan yang signifikan terhadap puncak difaksi dari unsur Al dan Mg, tetapi bila diamati dengan detail terjadi pergeseran dan pelebaran kurva pada kedua puncak
Gambar 1. Hasil Uji XRD Pada serbuk Hasil Mixing : (a) Al Murni (b) Al + 2%Mg (c) Al + 5%Mg. Gambar 2 menunjukkan bahwa puncak difraksi Al pada setiap variabel penambahan komposisi berat Mg. Terdapat pergeseran kurva dan pelebaran kurva yang dimiliki Al yang semula terdapat pada 2θ = 38,50878º menjadi 2θ = 38,59324º pada Al + 2% Mg. Pelebaran puncak difraksi ini mengindiasikan terjadi perubahan struktur kristal yang dimiliki Al dimana perubahan struktur kristal ini diakibatkan dari pembentukan fasa baru yaitu solid solution Al-Mg atau bisa juga disebut fasa α. Unsur Mg yang terlarut pada Al. Hasil ini sama dengan yang telah dilaporkan Scudino [10] yang mengatakan bahwa Hasil XRD menggunakan panjang gelombang Co Kα menunjukkan terjadi pelebaran puncak difraksi Al seiring dengan penambahan komposisi paduan Mg. Melebarnya puncak difraksi Al ini menandakan bahwa terbentuk fasa solid solution Al(Mg) ss dimana unsur Mg larut dalam Al.
Gambar 2. Puncak Difraksi Al Pada Setiap Variabel Penambahan Komposisi Berat Mg. Gambar 3 menunjukkan analisa single peak unsur Mg yang terdapat pada 2θ = 36,67054º. Dapat dilihat puncak difraksi yang dimiliki oleh Mg semakin melebar dan intensitasnya juga semakin tinggi seiring dengan penambahan komposisi berat Mg. Hal ini mengindikasikan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 semakin banyak penambahan komposisi berat Mg maka puncak difraksi Mg semakin melebar dan intensitasnya juga semakin tinggi. Hasil ini sama dengan yang telah dilaporkan Yuriy [11] pada penelitiannya menyatakan bahwa hasil XRD yang dilakukan pada paduan mekanik Al-Mg dengan penambahan %berat Mg, menunjukkan semakin banyak penambahan % berat Mg maka terjadi penambahan lebar kurva pada Mg.
3 unsur Al. Peak ini bersesuaian dengan (JCPDF#00-0894037) Al dengan 2θ sebesar 45,2676. Pada grafik (b) yaitu pada pellet Al + 2% Mg menunjukan model yang sama terdapat peak untuk Al. Peak ini bersesuaian dengan (JCPDF#01-074-5175) Al dengan 2θ sebesar 45,2376. Untuk unsur Al pada grafik (b) terlihat terjadi kenaikan intensias dari pada grafik (a) Al murni. Hal ini dikarenakan adanya penambahan Magnesium pada paduan Aluminium. Pada grafik (c) yaitu pada pellet Al + 5% Mg menunjukan model yang sama terdapat peak untuk Al yang mengalami kenaikan intensitas. Peak ini bersesuaian dengan (JCPDF#01-074-5237) Al dengan 2θ sebesar 44,7229. Bila dilihat secara sepintas terlihat memang tidak terjadi perubahan yang signifikan terhadap puncak difraksi dari unsur Al, tetapi bila diamati dengan detail terjadi pergeseran dan pelebaran kurva pada puncak difraksi Al. Pada masing-masing spesimen yang dilakukan sintering terjadi perubahan puncak difraksi Al.
Gambar 3. Puncak Difraksi Mg Pada Setiap Variabel Penambahan Komposisi Berat Mg. Pada Tabel 2 menunjukkan analisa data XRD serbuk hasil mixing. Berdasarkan tabel 2 pada kolom FWHM variabel penambahan komposisi berat Mg terdapat perbedaan. Besarnya nilai FWHM ini berpengaruh pada pelebaran kurva. Berdasarkan Tabel 2 pada kolom FWHM untuk fasa Al menunjukkan perubahan nilai yang signifikan. Perubahan ini mengindikasikan adanya perubahan struktur kristal pada unsur Al. Dari nilai FWHM dapat dihitung nilai mikrostrain (ε) dari Al murni, Al + 2%Mg, dan Al + 5%Mg. Dari hasil perhitungan di dapatkan nilai mikrostrain (ε) dari Al murni sebesar 31,56 x 10 -4, pada Al + 2%Mg sebesar 4,14 x 10-4, dan pada Al + 5%Mg sebesar 23,16 x 10-4. Sedangkan pada kolom parameter kisi menunjukkan perubahan nilai yang meningkat pada setiap variabel penambahan komposisi berat Mg, pada Al murni sebesar 4,041, pada Al + 2%Mg nilai parameter kisi meningkat sebesar 4,051, dan pada Al + 5%Mg juga terjadi peningkatan sebesar 4,065. Hal ini mengindikasikan lattice parameter mengalami regangan karena difusi atomik pada setiap variabel penambahan komposisi berat Mg. Tabel 2. Analisa Data XRD Hasil Mixing. Parameter Kisi b C
2θ (o)
Al Murni
dspacing
a
38,4689
2,34019
4,041
4,041
4,041
Al + 2%Mg
38,6254
2,33106
4,051
4,051
4,051
Al + 5%Mg
4,065
4,065
4,065
38,6072
2,33212
Sampel
FW HM
Strain (ε)x10-4
0,167 3
31,56
0,220 0
27,69
0,180 0
28,89
Gambar 4 adalah hasil pengujian XRD pada pellet setelah dilakukan sintering dengan Temperatur 400oC, holding time 2 jam. Untuk serbuk Al murni yang ditunjukan oleh grafik (a), terdapat peak yang menunjukan
Gambar 4. Hasil Uji XRD Pada Pellet Hasil sintering dengan Temperatur 400oC, holding time 2 jam : (a) Al Murni (b) Al + 2%Mg (c) Al + 5%Mg Gambar 5 dijelaskan puncak difraksi Al dari pellet yang sesudah di sintering. Pada masing-masing pellet Al murni, Al + 2% Mg, dan Al + 5% M g menunjukan adanya kenaikan intensitas dari pada spesimen yang sebelum di sintering. Kenaikan intensitas ini seiring dengan penambahan komposisi berat Magnesium pada paduan Aluminium. Hal ini di sebabkan karena adanya reaksi ikatan antar partikel serbuk Al dan Mg pada waktu proses sintering yang mengakibatkan perubahan struktur Kristal, sehingga membentuk fasa baru yaitu solid solution Al-Mg atau bisa juga disebut fasa α, dimana unsur Mg yang larut pada Al. Hasil ini sesuai apa yang dilaporkan dinda [12] yang mengatakan bahwa penambahan unsur Mg pada paduan Aluminium menunjukkan peak Mg tidak muncul pada analisa XRD setelah dilakukan proses sintering. Hal ini menandakan bahwa terbentuk fasa solid solution Al(Mg) ss dimana unsur Mg larut dalam Al.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
4
Mg
Al Al Al
Mg
(a) (b ) (c ) Gambar 7. Hasil SEM Setelah Proses sintering 400oC, holding time 2 jam Perbesaran 2000X Pada (a) Al Pure (b) Al + 2% Mg (c) Al + 5% Mg
Gambar 5. Perubahan Puncak Difraksi Al Setelah proses Sintering 400oC dan Sebelum proses Sintering 400oC. Pada Gambar 6 dijelaskan hasil uji SEM pellet setelah mixing. Gambar (a) pada Al murni terlihat morfologi Al berbentuk pipih atau flake. Pada gambar (b) dan (c) dengan penambahan Mg dapat dilihat morfologi unsur Mg berbentuk spherical atau bulat yang menempel pada unsur Al berbentuk pipih atau flake. Hal ini mengindikasikan adanya interaksi antara unsur Al dan Mg setelah melalui proses mixing dan kompaksi.
Mg Al
Al
Pada Gambar 8 merupakan hasil Metallografi, pada gambar (a) Al murni dengan perbesaran 50x terlihat komponen utama Al dengan struktur mikro menunjukkan α-aluminum solid solution matriks dendrit. Sedangkan pada gambar (b) dengan penambahan 2% M g pada Al terlihat struktur mikro Mg berupa spherical atau bulat pada matriks α-aluminum solid solution. Untuk penambahan 5% Mg pada gambar (c) struktur mikro menunjukkan Mg semakin tersebar pada matriks α-aluminum solid solution. Unsur Mg yang tersebar pada matriks α-aluminum dapat meningkatkan sifat mekanik dari paduan Al-Mg. Untuk mengetahui lebih jelas peningkatan sifat mekanik dari paduan Al-Mg dengan penambahan komposisi berat magnesium di lakukan pengujian kekerasan (hardness).
Mg Al
(a) (b ) (c ) Gambar 6. Hasil SEM Setelah Proses Mixing Perbesaran 2000X Pada (a) Al Murni (b) Al + 2% Mg (c) Al + 5% Mg. Pada Gambar 7 dijelaskan hasil SEM pellet setelah proses sintering 400oC, holding time 2 jam. Gambar (a) pada Al murni terlihat morfologi Al berbentuk pipih atau flake. Pada gambar (b) dan (c) dengan penambahan Mg dapat diketahui bahwa Interaksi antara unsur Al dengan Mg telah mulai banyak terjadi, dengan adanya morfologi bentuk flake yang menempel pada dinding unsur Mg berbentuk spherical atau bulat. Dapat dilihat dari morfologi Al dan Mg dimana distribusi terbentuknya solid solution Al-Mg semakin banyak terjadi bila dibandingkan dengan yang belum melalui proses sintering. Hal ini menunjukan bahwa unsur Al dan Mg mulai berinteraksi bila dipanaskan hingga mencapai temperatur 400oC membentuk fasa solid solution Al-Mg, dimana unsur Mg larut dalam Al.
Al
Mg
Al Mg
Al
(a) (b ) (c) Gambar 8. Struktur mikro (a) Al Murni 50X (b) Al + 2%Mg 5X (c) Al + 5%Mg 50X. Pada gambar 9 hasil pengujian kekerasan (hardness) menunjukkan adanya distribusi kekerasan pada Al Murni rata-rata sebesar 36,3 HV. Untuk paduan Al dengan penambahan 2% Mg menunjukkan peningkatan kekerasan sebesar 43,6 HV. Begitu juga dengan penambahan 5% Mg terjadi peningkatan kekerasan sebesar 53,03 HV. Hal ini mengindikasikan bahwa pengaruh penambahan unsur Mg pada paduan Al dapat meningkatkan nilai kekerasan (sifat mekanik) dari paduan Al-Mg. Hasil ini sesuai dengan apa yang dikatakan pada penelitian Tomy Yuan. [4] Yang mengatakan bahwa penambahan kadar Mg dalam jumlah yang besar dapat menaikan nilai kekerasan dan kekuatan tarik pada paduan, tetapi menurunkan nilai regangan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
Micro Vickers Hardness
unsur Mg pada paduan Al dapat meningkatkan nilai kekerasan (sifat mekanik) dari paduan Al-Mg.
60
IV. KESIMPULAN
50
Dari hasil penelitian pembuatan sintesa paduan Al-Mg melalui proses metalurgi serbuk serta karakterisasinya, maka dapat ditarik kesimpulan :
40
HV
5
30 20 10 0 Al Murni Al + 2%Mg Al + 5%Mg % Berat Mg
1. Hasil proses sintering temperatur 400 oC, holding time 2 jam menunjukkan distribusi terbentuknya solid solution Al-Mg semakin banyak terjadi bila dibandingkan dengan yang belum melalui proses sintering. 2. Pengaruh penambahan Mg pada struktur mikro paduan Alumunium menunjukkan Mg semakin tersebar pada matriks α-aluminum solid solution pada Al + 5%Mg. 3. Pengaruh penambahan Mg pada sifat mekanik paduan Alumunium menunjukkan nilai kekerasan semakin meningkat pada Al + 5%Mg.
Gambar 9. Distribusi Kekerasan Berdasarkan pada beberapa pengujian di atas, analisis penelitian dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan komposisi berat Magnesium terhadap struktur mikro dan sifat mekanik paduan Al-Mg. Sintesa paduan Al-Mg dengan proses mixing, dalam pengujian sieving menunjukkan jarak distribusi ukuran partikel terlalu besar. Identifikasi awal menggunakan XRD pada serbuk yang telah melalui proses mixing, pada Al + 5%Mg masih adanya peak untuk Mg, sedangkan peak untuk Al menunjukkan adanya pelebaran kurva pada puncak difraksi Al. Melebarnya puncak difraksi Al ini menandakan bahwa terbentuk fasa solid solution Al-Mg, dimana unsur Mg larut dalam Al. Pada pellet hasil kompaksi setelah dilakukan sintering 4000C, holding time 2 jam pada masing-masing spesimen, hasil XRD menunjukkan kenaikan intensitas seiring dengan penambahan komposisi berat Magnesium. Hal ini di sebabkan karena adanya reaksi ikatan antar partikel serbuk Al dan Mg pada waktu proses sintering yang mengakibatkan perubahan struktur Kristal, sehingga membentuk fasa baru yaitu solid solution Al-Mg atau bisa juga disebut fasa α, dimana unsur Mg larut pada Al. Analisis morfologi menggunakan SEM pada pellet sebelum sintering terlihat morfologi unsur Al yang memiliki bentuk pipih atau flake menempel pada dinding unsur Mg yang berbentuk spherical atau bulat membentuk sebuah paduan unsur Al dan Mg. Setelah dilakukan sintering 4000C terlihat bahwa morfologi unsur Al yang memiliki bentuk pipih atau flake menyelimuti unsur Mg yang berbentuk spherical atau bulat. Hal ini menunjukan bahwa unsur Al dan Mg mulai berinteraksi bila dipanaskan hingga mencapai temperatur 400oC membentuk fasa solid solution Al-Mg, dimana unsur Mg larut dalam Al. Pada analisis struktur mikro, pengaruh penambahan Mg pada paduan Alumunium menunjukkan Mg semakin tersebar pada matriks α-aluminum solid solution pada Al + 5%Mg. Hal ini berpengaruh pada sifat mekanik yang menunjukkan terjadi peningkatan nilai kekerasan pada Al + 5%Mg menggunakan pengujian Micro Vickers Hardness. Hal ini mengindikasikan bahwa pengaruh penambahan
DAFTAR PUSTAKA Andriyono, Sapto. 2009. Aplikasi Paduan Al-Mg. Bogor : Institut Pertanian Bogor. [2] Oxtoby. 2003. Aluminum and Classification. New York : Marcel Dekker. [3] Utomo, ghanie riphandi. 2012. Magnesium murni dan sifat magnesium. Malang : U niversitas Brawijaya. [4] Yuan, Tomy. 2001. Pengaruh penambahan Mg terhadap paduan. Bandung : I nstitut Teknologi Bandung. [5] Hafiz, Abdul. 2009. Aluminium Murni dan Paduannya. Bogor : Institut Pertanian Bogor. [6] Abrari Kholiq, Ahmad. 2011. Paduan Alumunium. Malang : Universitas Brawijaya. [7] Lubis, Ahmad Husni, S.Si. 2012. Pencampuran Bahan Kimia (Mixing Process). Medan : Universitas Sumatera Utara. [8] Kang, Suk-Joong L. 2005. Sintering: Densification, Grain Growth, and Microstructure . Elsevier Ltd. [9] Lee & R ainforth. 1994. Microstructures Ceramics During Sintering. New York : Marcel Dekker. [10] Scudino. 2009.”Mechanical Alloying and Mechanical Milling of Al-Mg Alloys”. Journal of Alloys and Compounds. 493(2009) 2-7. [11] Yuriy L. shoshin, ruslan S. mudry, and Edward L. dreizin. 1982. Energitic Preparation And Characterization Of Al-Mg Mechanical Alloy Powders. New Jersey Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, University Heights, Newark, USA. [12] Hafizah Dinda dan Heny Faisal. Pengaruh Sintering pada Paduan Aluminium. Bogor : Institut Pertanian Bogor. [1]
