PENGARUH PENAMBAHAN NIKEL (Ni) TERHADAP STRUKTUR KRISTAL, MORFOLOGI, DAN KEKERASAN PADA PADUAN Al(2-x)FeNi(1+x) Robi Kurniawan1), Nandang Mufti2), Abdulloh Fuad3) 1) Jurusan Fisika FMIPA UM, 2,3) Laboratorium sentral FMIPA UM, Jl. Semarang no. 5 Malang. Alamat e-mail :(1)
[email protected] , (2)
[email protected]
Abstrak Paduan berbasis aluminium Al-Fe-Ni menarik perhatian karena memiliki kombinasi sifat fisik dan mekanik yang meliputi kekuatan spesifik, ketahanan spesifik, kekerasan yang tinggi, ketahanan terhadap suhu tinggi, serta ringan yang. Kombinasi sifat ini menjadikan logam paduan ini digunakan sebagai bahan dasar pengganti logam paduan berbasis besi dalam dunia industri alat berat maupun industri nuklir. Pada fase Al2FeNi, paduan logam ini memiliki kekerasan tinggi dan titik lebur tinggi walaupun tanpa doping. Akan tetapi, kondisi optimum untuk menghasilkan sifat fisik dan mekanik yang baik belum banyak diteliti. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui sifat kekerasan, sifat termal dan sifat korosi logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan penambahan komposisi nikel. Pada penelitian ini, Al2FeNi ditambah dengan Ni dalam bentuk Al(2-x)FeNi(1+x) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75). Bahan dasar yang digunakan adalah Al (PA 99%), Fe (PA 99%), dan Ni (PA 99%). Karakterisasi struktur kristal menggunakan XRD, pembentukan fasa diidentifikasi menggunakan program X’Pert High Score Plus, analisis struktur kristal menggunakan software Celref untuk penentuan parameter kisi. Ukuran butir kristal dihitung menggunakan persamaan Scherrer dan juga dikonfirmasi dengan hasil SEM-EDAX, dan uji kekerasan menggunakan Microhardness Vickers Test Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan komposisi nikel akan meningkatkan parameter kisi serta volume sel. Sedangkan ukuran butir mengalami penurunan ukuran pada x = 0 hingga x = 0,50 dan meningkat pada x = 0,75. Kekerasan logam paduan meningkat secara linier dengan peningkatan nikel karena jari-jari ionik nikel lebih besar daripada jari-jari ionik aluminium. Kata Kunci : Struktur Kristal, Morfologi, Kekerasan, Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x).
1.
Pendahuluan
Di dunia industri, barang hasil produksi dibuat dan dirancang memiliki ketahanan yang baik terhadap lingkungan, khususnya produk yang berbahan logam diproduksi untuk memiliki ketahanan terhadap korosi, tahan terhadap tekanan, serta tahan terhadap suhu tinggi. Aluminium dan logam paduan berbasis aluminium memiliki keuntungan yang besar dalam dunia industri. Kombinasi sifat fisik dan mekanik yang meliputi kekuatan spesifik, ketahanan spesifik, kekerasan yang tinggi, ketahanan terhadap suhu tinggi, serta sifatnya yang ringan menjadikan logam paduan berbasis aluminium banyak digunakan sebagai bahan dasar pengganti logam paduan berbasis besi dalam industri.
Salah satu bentuk paduan aluminium yang banyak aplikasinya adalah Al-Cu-Mg. Al-Cu-Mg merupakan salah satu logam paduan berbasis Aluminium yang menjadi kandidat yang potensial bagi dunia industri. Al-Cu-Mg menjadi pilihan alternatif pengganti logam berbasis besi dalam sistem logam karena kekuatan spesifiknya yang tinggi. Kandungan magnesium (Mg) meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari campuran, tetapi khususnya dalam pencetakan, magnesium ini menurunkan ketahanan terhadap tumbukan, Namun kelemahan terhadap tumbukan ini diatasi dengan tembaga (Cu). Tembaga meningkatkan ketahanan terhadap tumbukan namun memiliki ketahanan yang lemah pada suhu yang sangat tinggi (George, 2003).
1
Dalam perkembangannya, sebagai upaya untuk mengurangi kelemahan dari logam paduan yang berkaitan dengan kekerasan maupun ketahanannya terhadap temperatur tinggi, dilakukan penambahan unsur dengan cara doping maupun mencampur material lain ke dalam logam paduan dengan membentuk komposit yang biasa dikenal dengan komposit matriks logam. Komposit matriks logam ini biasanya dilakukan dengan cara mencampur logam paduan dengan keramik karena memiliki kekerasan dan ketahanan panas yang baik.
Gambar 2.1 Pola Difraksi Sinar-X Al2FeNi
Salah satu bentuk paduan aluminium yang masih memiliki kekerasan dan ketahanan terhadap panas yang baik tanpa adanya penambahan material lain adalah paduan Al-Fe-Ni. Paduan Al-Fe-Ni memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal kekerasan dan titik lebur yang tinggi. Pada komposisi tertentu, pada paduan Al-Fe-Ni terbentuk fase Al2 FeNi. Fase Al2FeNi merupakan salah satu fase yang memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal titik lebur dan kekerasan yang tinggi di atas fase Al3Ni. Kandungan besi (Fe) meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari campuran, tetapi besi ini memiliki ketahanan korosi yang lemah. Namun kelemahan terhadap korosi ini diatasi dengan nikel (Ni). Untuk penambahan Ni pada paduan Al-Fe-Ni akan semakin meningkatkan komposisi Ni pada paduan Al-Fe-Ni yang dapat memberikan kekuatan (tanpa mengurangi keuletan), memperbaiki sifat tahan korosi, tahan panas dan menaikkan kekerasan pada aluminium.
Fase Al2FeNi merupakan fase yang memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal titik lebur dan kekerasan yang tinggi di atas fase Al3Fe. Distribusi fase paduan Al-Fe-Ni dalam bentuk cair dapat dilihat pada gambar 2.2 (Mondolfo, 1976).
Gambar 2.2 Diagram Fase Al-Fe-Ni pada Fase Cair
Berbagai fase pada Al-Fe-Ni dapat dilihat dari diagram fase pada gambar 2.3 (Qiang, 2001) :
Dengan meningkatkan fraksi dari Nikel pada paduan Al-Fe-Ni yang memiliki fase Al2 FeNi akan menyebabkan perubahan kekerasan ataupun sifat termal pada paduan Al-Fe-Ni. Dengan semakin besarnya fraksi dari nikel ini, dimungkinkan mempengaruhi struktur maupun sifat lainnya dari AlFe-Ni sehingga diperlukan pengujian serta analisis berkaitan dengan struktur kristal, morfologi, dan kekerasan dari paduan Al-Fe-Ni.
II. Kajian Teori Gambar 2.3 Diagram Fase Al-Fe-Ni
Paduan Al-Fe-Ni memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal kekerasan dan titik lebur yang tinggi. Fase Al2FeNi memiliki space group Pm-3m (221) dan memiliki struktur kristal kubik dengan parameter kisi a = b = c = 2,883 Å (ICSD).
III. Metode Penelitian a.
2
Tahap Persiapan Bahan yang digunakan dalam pembuatan paduan ditimbang sesuai dengan komposisi yang telah ditentukan, yaitu Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75 dan selanjutnya bahan dikompaksi. Dalam penelitian ini ditentukan massa untuk setiap sampel adalah 2 gram, dengan massa masing-masing tersaji dalam Tabel 3.1 :
Tabel 3.1. Massa masing-masing komponen untuk logam paduan Al-Fe-Ni Perhitungan Penelitian x Al (gr) Fe (gr) Ni (gr)
b.
c.
0
1,0815
0,4478
0,4707
0,25
0,9958
0,4340
0,5702
0,50
0,9152
0,4210
0,6638
0,75
0,8392
0,4088
0,7520
IV. Hasil Penelitian 1. a.
Pola Difraksi dan Struktur Kristal Hasil Karakterisasi X-RD Pola Difraksi Al(2-x)FeNi(x+1) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75) Pola difraksi logam paduan Al(2-x)FeNi(x+1) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75) hasil sintesis dengan metode Tri-Arc Melting ditunjukkan dalam Gambar 4.1.
Tahap Pembuatan Bahan logam (Al, Fe, dan Ni) yang telah dipress ditempatkan pada cawan (crucible). Selanjutnya cawan dimasukkan ke dalam tungku pelebur (TriArc Melting). Udara yang berada di dalam tungku pelebur selanjutnya dipompa keluar dan mulai dialirkan gas Argon ke dalam tabung tungku pelebur. Proses peleburan dimulai dengan pemberian sumber arus pada alat pelebur. Peleburan logam yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan Tri-Arc Melting, dengan arus masukannya diatur hingga dapat melelehkan bahan, yaitu berkiasr 100 A. Pelelehan dilakukan dua kali dengan tujuan agar bahan tercampur secara homogen (Re-Melting and Mixing).
Gambar 4.1 Pola Difraksi Logam Paduan Al(2-x)FeNi(x+1) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75) Hasil Sintesis dengan Metode Tri-Arc Melting
Pada masing-masing puncak dapat dilihat bahwa dengan bertambahnya fraksi Ni pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x), terjadi pergeseran posisi puncak difraksi ke arah kiri. Pergeseran puncak ke kiri ini menunjukkan bahwa dengan semakin bertambahnya fraksi Ni, parameter kisi dari logam paduan mengalami perubahan nilai yang semakin besar.
Tahap Karakterisasi Karakterisasi fase dilakukan dengan cara menguji logam paduan menggunakan X-RD. Dari pengujian X-RD diperoleh pola difraksi yang terdiri dari posisi sudut dan intensitas. Karakterisasi struktur mikro dilakukan dengan cara menguji logam paduan menggunakan SEMEDAX. Dari SEM-EDAX diperoleh gambaran mikro dari sampel hasil SEM dan persentase tiap unsur penyusun logam paduan hasil EDAX. Pengujian kekerasan bahan pada penelitian ini dilakukan menggunakan metode Microhardness Vickers dengan menggunakan alat digital Vickers Hardness Tester dengan beban penekan dalam penelitian ini sebesar 100 gf. Besarnya nilai kekerasan dirumuskan sebagai berikut : F Hv = 1,8544 2 d
b.
Struktur Kristal Al(2-x)FeNi(1+x) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75) Dari fitting yang dilakukan menggunakan software Celtef, diperoleh hasil struktur kristal sebagai dari logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) berikut. Tabel 4.1. Data hasil analisis struktur menggunakan software Celref
dengan : F = beban penekan yang dikenakan pada bahan (kgf) d = panjang diagonal jejak indentor (mm)
x
0
0,25
0,50
0,75
Parameter kisi a (Å) Parameter kisi b (Å) Parameter kisi c (Å) α=β=γ Volume sel (Å3) Mean Square Deviation
2,8766
2,8774
2,8833
2,8836
2,8766
2,8774
2,8833
2,8836
2,8766
2,8774
2,8833
2,8836
90 23.80337
90 23.82323
90 23.97008
90 23.97756
0,16161
0,14558
0,06590
0,11670
hubungan antara fraksi penambahan Ni terhadap parameter kisi dan volume sel pada masingmasing nilai x dari logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) 3
dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75 seperti gambar 4.2.
dibandingkan dengan logam paduan Al(2x)FeNi(1+x) dengan x = 0,50, namun lebih kecil dibandingkan dengan logam paduan Al(2x)FeNi(1+x) dengan x = 0 dan x = 0,25.
2.884 23.95
2.882
Sesuai dengan persamaan Scherrer diperoleh pada logam paduan Al(2-x)FeNi(x+1) saat x = 0 ukuran butirnya 41,390918 nm, saat x = 0,25 ukuran butirnya 41,33329 nm, saat x = 0,50 ukuran butirnya 27,21203 nm, dan saat x = 0,75 ukuran butirnya 35,90466 nm.
23.90
2.881 23.85 2.880 2.879
23.80
3
Volume Sel (Å )
Parameter Kisi (Å)
2.883
2.878 23.75 2.877 2.876 -0.1
3.
23.70 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Fraksi Penambahan Nikel
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Fraksi Penambahan Ni terhadap Parameter Kisi dan Volume Sel pada Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x)
2.
Kekerasan Al(2-x)FeNi(x+1) Nilai kekerasan hasil pengujian dengan metode Microhardness Vickers dengan menggunakan gaya penekan sebesar 100 gf ditunjukkan oleh tabel 4.4. Tabel 4.2. Data Uji Kekerasan Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan Microhardness Vickers Komposisi Al(2-x)FeNi(1+x) HVN Rata-Rata X=0 566,8 X = 0,25 648 X = 0,50 707,4 X = 0,75 819,6
Morfologi Al(2-x)FeNi(1+x) Hasil Karakterisasi SEM-EDAX Pengamatan struktur mikro logam paduan Al(2x)FeNi(1+x) dilakukan dengan menggunakan foto hasil SEM seperti gambar 4.3 V.
Kesimpulan
1.
Pada setiap penambahan nikel, logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75 mengalami peningkatan nilai parameter kisi serta volume sel tanpa mengalami perubahan sistem kristal.
(a)
(b)
2.
Pada setiap penambahan nikel, logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) pada x = 0 hingga x = 0,50 mengalami penurunan ukuran dan mengalami peningkatan ukuran butir pada x = 0,75. Dengan semakin mengecilnya ukuran butir ini, tampak butiran semakin memadat dan pori-pori semakin mengecil.
(c)
(d)
3.
Pengaruh penambahan nikel mengakibatkan peningkatan kekerasan secara linier pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75.
Gambar 4.3 Hasil Foto SEM Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x) (a) x = 0 (b) x = 0,25 (c) x = 0,50 (d) x = 0,75
Dari hasil SEM di atas dapat terlihat bahwa pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 berbentuk glanular dengan sedikit ditemukan pori-pori. Pada logam paduan Al(2x)FeNi(1+x) dengan x = 0,25 berbentuk glanular yang lebih kecil jika dibandingkan dengan logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 serta sedikit ditemukan pori-pori. Pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0,50 berbentuk glanular yang lebih kecil jika dibandingkan dengan logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 dan x = 0,25, sedikit ditemukan pori-pori, serta butiran semakin memadat. Pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0,75 berbentuk glanular yang lebih besar dan lebih memadat jika
VI. Acknowledgment Penelitian ini dilakukan dan didukung oleh Laboratorium Sentral Universitas Negeri Malang. VII. Referensi Abrini, Dona. 2010. Efek Penambahan Ni terhadap Perubahan Mikrostruktur Campuran Serbuk FeAl dengan Metode Pemaduan Mekanik. Depok : Fisika FMIPA UI. Baghaei Rad, Leili. 2007. Computational Scanning Electron Microscopy. International Conference on Frontiers of Characterization and Metrology. 4
Qiang, Jian Bing. 2001. Formation Rule for Al-based Ternary Quasi-Crystal : Example of Al-Ni-Fe Decagonal Phase. J.of. Mater. Res. Vol. 16 No. 9.
Barsoum, Michel W. 2003. Fundamentals of Ceramics. UK : Institute of Physics Publishing, Dirac House, Temple Back. Lide, D. R. Ed. 2005. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90th Ed. CRC Press : Boca Raton, Florida.
Rammelyadi, Asep Ary. 2008. Pencirian Paduan Aluminium-Besi-Nikel Sebagai Kelongsong Elemen Bakar Berdensitas Tinggi. Bogor : Departemen Kimia FMIPA IPB.
Mondolfo, L F. 1976. Aluminium Alloy Structure and Properties. London : Butterworths.
5
