Kata Kunci: Balistik; Komposit alumunium; Paduan Al-Zn-Mg; Penguat SiC; Pengerasan penuaan,

1

Pengaruh Penambahan Mg terhadap Respons Pengerasan Penuaan Komposit Al8Zn Berpenguat SiC Hasil Squeeze Casting untuk Aplikasi Balistik Lita Aksari, Bondan Tiara Sofyan, Dwi Rahmalina Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia Komposit dengan matriks alumunium belakangan ini telah dikembangkan sebagai material alternatif balistik, karena memiliki densitas yang lebih ringan dari baja dan sifat mekanis yang baik. Dalam penelitian ini, dikembangkan komposit dengan matriks paduan Al – 8 wt. % Zn dengan variasi 3, 4, dan 5 wt. % Mg berpenguat 15 vol. % SiC hasil squeeze casting. Kemudian dilakukan laku pelarutan pada suhu 500 oC selama 1 jam dan pengerasan penuaan pada suhu 200 oC. Karakterisasi material yang dilakukan diantaranya adalah pengujian kekerasan untuk mendapatkan kurva penuaan, pengujian impak, analisis fraktografi dan pengamatan mikrostruktur dengan menggunakan mikroskop optik dan SEM serta dilakukan pengujian balistik menggunakan senjata SPR 1 dengan peluru kaliber 7.62 mm. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kekerasan puncak komposit semakin meningkat dengan bertambahnya kandungan Mg, sementara energi impak dari komposit akan semakin menurun. Nilai kekerasan puncak tertinggi didapatkan pada kandungan 5 wt. % Mg senilai 88.8 HRB. Dan nilai terkecil dari energi impak didapat pada kandungan 5 wt. % Mg senilai 2.83 J. Dengan dilakukan pengerasan penuaan pada komposit, ketangguhan akan meningkat dibandingkan pada komposit hasil pengecoran. Komposit ini tidak mampu untuk menahan penetrasi peluru kaliber 7.62 mm. Kata Kunci: Balistik; Komposit alumunium; Paduan Al-Zn-Mg; Penguat SiC; Pengerasan penuaan, Aluminium matrix composite has recently been developed as an alternative for ballistic material, because of its light weight and good mechanical properties. This research developed Al – 8 wt. % Zn matrix composite with varied content of 3, 4, and 5 wt. % Mg strengthened by 15 vol. % SiC produced by squeeze casting. Then, composites were solution treated at 500 oC for 1 hour and aged at 200 oC. Characterizations included hardness testing to construct ageing curves, impact testing, and fractography analysis and microstructure observation using optical microscopy and SEM and also ballistic testing by using SPR 1 rifle gun with of 7.62 mm bullet. The results show that the higher the Mg content, the higher the peak hardness of the composite, but the lower the impact energy. The highest peak hardness of the composite is obtained by 5 wt. % Mg with the hardness value of 88.8 HRB. The lowest impact energy of the composite is prossesed by 5 wt. % Mg content with the impact energy value 2.83 J. With age hardening, the toughness of the composite higher than that of as cast condition. The composite were not able to resist penetration of projectile of 7.62 mm bullet. Key words: Age hardening; Aluminum Composite; Alloy Al-Zn-Mg; Ballistic; SiC reinforcement. Pendahuluan Sebagai negara yang telah merdeka, Indonesia memiliki kekuasaan untuk menjaga dan melindungi wilayah kekuasaannya. Seiring dengan perkembangan teknologi dan pentingnya pertahanan negara, Indonesia dituntut untuk terus melakukan pengembangan alat-alat tempur. Tank merupakan salah satu alat tempur Indonesia. Baja diketahui merupakan material yang

Pengaruh penambahan..., Lita Aksari, FT UI, 2013

2

sering digunakan untuk kendaraan tempur. Densitas baja yang tinggi membuat mobilitas baja sebagai kendaraan tempur menjadi kurang efektif. Untuk itu, maka dilakukan pengembangan untuk mencari alternatif material lain sebagai pengganti baja. Komposit dengan matriks paduan alumunium belakangan ini telah dikembangkan menjadi material balistik karena memiliki berat yang ringan dan sifat mekanis yang baik. Paduan aluminium seri 7xx.x merupakan paduan aluminium dengan elemen utamanya adalah Zn. Paduan aluminium seri ini adalah yang paling heat-treatable dengan kekuatan yang cukup tinggi. Dalam keadaan padat, Zn memiliki kemampuan larut yang paling besar terhadap aluminium dibanding unsur lainnya yaitu sebesar 88.2 wt. %. Unsur ini hanya memberikan sedikit efek larutan padat lewat jenuh atau pengerasan pengerjaan pada aluminium, namun dengan keberadaan Mg akan terjadi pembentukan presipitat Al-Zn-Mg menjadi dasar dari paduan hasil pengerjaan 7xxx dan paduan pengecoran 7xx.x[1]. Penambahan Mg pada paduan aluminium memiliki kegunaan tertentu. Mg memiliki kelarutan yang cukup tinggi pada Al hingga 17.4 %. Penambahan kadar Mg akan meningkatkan nilai impak, namun persamaannya kuadratik, dimana pada kandungan Mg yang terlalu besar dalam kondisi penuaan malah akan mengurangi ketangguhan. Peningkatan kekuatan paduan dengan bertambahnya kandungan Mg pada tingkat tertentu (pada paduan heat treatable) akan mengorbankan keuletan[2]. Berdasarkan hukum pencampuran (rule of mixture), semakin banyak penguat yang diberikan maka kekuatan dan kekerasan komposit akan semakin besar. Namun, seiring dengan bertambahnya partikel penguat, maka modulus elastisitas akan semakin meningkat. Artinya, material akan semakin kaku dan keuletannya akan berkurang. Peningkatan kekuatan dan kekerasan pada beberapa paduan logam diperoleh dengan pembentukan partikel fasa kedua yang sangat kecil dan tersebar secara merata dalam fasa matriksnya. Hal ini dapat dicapai dengan melakukan transformasi fasa yang diperoleh dari perlakuan panas yang tepat. Proses ini disebut pengerasan penuaan, karena partikel kecil dari fasa kedua tersebut disebut presipitat. Pengerasan penuaan adalah salah satu bentuk perlakuan panas. Pada prinsipnya, selama perlakuan panas penuaan, terbentuklah presipitat dari larutan padat lewat jenuh. Perlakuan panas untuk meningkatkan kekuatan paduan Al ada 3 tahapan proses yaitu perlakuan panas pelarutan, pendinginan cepat, dan proses penuaan pada suhu tertentu. Pada paduan aluminium Al-Zn-Mg, setelah dilakukan laku pelarutan, atom-atom Zn dan Mg akan terlarut menjadi fasa tunggal (α) dan menyisakan kekosongan pada tempat asalnya. Setelah dilakukan pendinginan cepat, maka kekosongan yang terbentuk tetap


3

terperangkap pada tempatnya. Kekosongan inilah yang akan menjadi tempat presipitat terbentuk ketika dilakukan penuaan. Semakin banyak penambahan kadar Mg, maka akan semakin banyak kekosongan yang terbentuk, sehingga menghasilkan vacancy rich cluster. Hal ini terjadi karena perbedaan diameter atomik Mg dan Al yang cukup besar. Dimana jumlah vacancy rich cluster meningkat ketika dilakukan pendinginan cepat dengan air. Efek ini bergantung pada jenis dari atom terlarut dan perbedaan diameter antara atom yang tersebut dengan alumunium. Semakin besar perbedaan diameter antara keduanya, pembentukan vacancy rich cluster akan semakin besar. Dengan meningkatnya vacancy rich cluster, terbentuk tempat nukleasi yang halus dan terdistribusi secara merata. Hal ini disebabkan karena atom terlarut akan berdifusi ke vacancy cluster terdekat. Maka atom Zn akan berdifusi ke vacancy rich cluster yg berikatan dengan Mg. Terdapat energi ikat yang kuat antara kekosongan dengan atom Mg. Sehingga dengan adanya penuaan, akan terbentuk presipitat MgZn2[3]. Selain itu, pada paduan Al-Zn-Mg terdapat fenomena yang disebut cluster hardening. Fenomena cluster hardening ini merupakan fenomena peningkatan drastic kekerasan paduan Al pada saat awal pelakuan panas. Fenomena ini dipercaya karena adanya clustering dari unsur terlarut dalam padual alumunium. Cluster ini mengandung ~3 sampai 20 atom. Peristiwa clustering ini memicu terbentuknya keberadaan presipitat, menstimulasi nukleasi dari presipitat baru, dan berkontribusi secara nyata pada proses pengerasan paduan tertentu[4]. Ringer et.al[5,6,7] membuktikan pula pada penelitiannya bahwa beberapa paduan seperti AlCu-Mg dan Al-Zn-Mg-Cu mempunyai fenomena rapid hardening atau cluster hardening. Dimana kekuatan mekanis dan kekerasan paduan meningkat secara drastis pada beberapa detik setelah penuaan. Hal ini disebabkan oleh adanya sub-nanometre atomic cluster prapresipitat yang dapat mempermudah transformasi nukleasi presipitat. Sub-nanometre atomic cluster ini merupakan pembentukan awal cluster kecil dari Mg-Zn serta dari clustering Cu. Adanya clustering ini diamati dengan menggunakan BF TEM dan Field Ion Micrograph (FIM). Tahap awal pengerasan ini terjadi sangat cepat dan sebagian besar tercapai dalam waktu 60 detik. Pada penelitian Sun et.al[8] dilakukan perlakuan panas pada komposit 7090 Al/SiC. Paduan aluminium 7090 ini terdiri dari Al-Zn-Mg-Cu. Sampel ini dilakukan perlakuan panas dengan laku pelarutan pada temperatur 475

o

C selama 1 jam, kemudian di lakukan

pendinginan cepat menggunakan air dan dilakukan pengerasan penuaan pada suhu 120 oC selama 24 jam. Kemudian berdasarkan hasil XRD, terdapat fasa presipitat yaitu MgZn2 dan


4

CuAl2. Dengan menggunakan TEM, diamati presipitat berukuran kurang dari 1.0 µm yang terdapat pada antarmuka partikel SiC dengan matriks dan berukuran 2-3 µm pada sepanjang batas butir. Sedangkan pada penelitian Han et.al[9] ditemukan presipitat MgZn2 yang ukurannya kurang dari 50 nm yang diamati dengan menggunakan mikrograf dark field TEM. Kemampuan material untuk dapat menunjukan kemampuannya menahan beban impak bergantung dari kekerasan material dan regangan material hingga gagal yang mana ditentukan dengan kemampuan material dalam menyerap energi dengan deformasi global, meliputi retakan getas (pada keramik dan beberapa komposit) atau deformasi plastis (pada beberapa logam). Pada penelitian Demir et.al[10], dilakukan penelitian terhadap perilaku impak balistik paduan aluminium 7075 dan AISI 4140 yang dilakukan dengan penembakan proyektil diameter dibawah 7.62 mm. Berbagai perlakuan panas diberikan pada paduan AISI 4140 dan 7075 untuk melihat efek dari peningkatan kekerasan dan kekuatan terhadap perilaku balistiknya. Hasil dari penelitian ini menunjukan bahwa material dengan performa balistik terbaik yaitu paduan 7075-T651 dimana menahan proteksi balistik dengan area berat jenis ≥ 85 kg/m2. Hal ini dihasilkan karena perlakuan penguatan penuaan buatan pada paduan 7075 yang menyebabkan pembentukan presipitat yang meningkatkan kekerasan dan kekuatan pada struktur. Peningkatan kekerasan (yang diikuti kekuatan) pada komposit akan meningkatkan performa balistik sampai pada tingkat kekerasan tertentu. Namun, jika kekerasan melebihi pada kondisi optimumnya, performa balistik tidak akan meningkat dan malah akan menurun. Pada penelitian ini, komposit ini dikembangkan dengan menggunakan paduan Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC. Pembuatan komposit ini adalah dengan menggunakan squeeze casting sehingga menghasilkan pelat yang berdimensi kurang lebih 170 x 170 x 15 mm. Untuk meningkatkan kekuatan pada komposit, kandungan Mg ditambahkan sebesar 3, 4, dan 5 wt. % Mg dan diberikan perlakuan pengerasan penuaan pada suhu 200 oC. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk Mengetahui dan menganalisis pengaruh penambahan kadar 3, 4, dan 5 wt. % Mg setelah pengerasan penuaan pada temperatur 200 oC terhadap sifat mekanik dan ketahanan balistik serta struktur mikro dari komposit paduan Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC, mengetahui interaksi antara unsur paduan dan partikel SiC dalam pengerasan pengendapan selama 200 oC, dan untuk mengetahui pengaruh respons penuaan dengan penambahan kadar 3, 4, dan 5 wt. % Mg terhadap performa balistik tipe III dari komposit paduan Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC


5

Metode Penelitian Komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC ditambahkan dengan variasi Mg sebesar 3, 4, dan 5 wt. % hasil dari squeeze casting dilakukan perlakuan panas. Laku pelarutan dilakukan pada suhu 500 oC selama 1 jam, dilanjutkan dengan pencelupan ke air dan pengerasan penuaan pada suhu 200 oC. Untuk mendapatkan kurva penuaan, maka dilakukan pengujian kekerasan pada komposit yang telah dilakukan penuaan selama 5 menit sampai 100 jam. Pengujian kekerasan dilakukan dengan standar ASTM E18 menggunakan metode Rockwell B yang menggunakan dua thapa pembebanan. Pembebanan pertama, preload sebesar 10 kgf, kemudian dilanjutkan dengan pembebanan tambahan 90 kgf. Pengujian impak pada sampel dengan kondisi penuaan puncak, dilakukan dengan menggunakan metode Charpy,sesuai standar ASTM E23. Untuk mengetahui perubahan mikrostruktur, sampel hasil pengerasan penuaan dilakukan persiapan sampel standar dengan etsa keller (20 mL H2O, 20 mL HNO3 (70 %), 20 mL HCl (38 %), 5 mL HF (40 %)). Selain itu, untuk mengetahui analisis senyawa kimia yang terkandung di dalam komposit, dilakukan pengamatan SEM dan EDX pada perbesaran 500x. Untuk meningkatkan kekerasan pada sampel uji, dilakukan thermal spray coating menggunakan material Tungsten Carbide-Cobalt (WC-Co) dengan metode High Velocity Oxygen Fuel (HVOF). Sebagai tahapan akhir dari penelitian ini, dilakukan pengujian balistik tipe III dengan menggunakan senjata SPR 1 kaliber 7.62 mm yang ditembak pada jarak 15 mm. Pelat komposit untuk uji balistik berukuran 100x100x15 mm dan disusun 3 lapisan.

Hasil dan Pembahasan Kurva penuaan dari komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi Mg dapat dilihat pada Gambar 1. Sebelum dilakukan perlakuan panas, sampel as cast diuji kekerasan dan didapatkan nilai yang semakin meningkat dengan bertambahnya Mg. Rata-rata peningkatan kekerasan dari akibat penambahan Mg pada kondisi as cast adalah sebesar 15.33 %. Setelah dilakukan laku pelarutan dan penginginan cepat, rata-rata peningkatan kekerasan akibat penambahan Mg hanya mencapai 1.09 %.


6 100 95

Kekerasan HRB

90 85 80

As cast

Cluster Hardening

75

5 Mg

70

4 Mg

65

3 Mg

60

As Quenched

55 50 0.001

0.01

0.1

1

10

100

Waktu (jam) Gambar 1 Pengaruh Mg terhadap kurva pengeraan penuaan komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC setelah perlakuan penuaan pada temperatur 200 oC.

Setelah proses penuaan berlangsung selama 5 menit, nilai kekerasan komposit meningkat dengan drastis. Rata-rata peningkatannya mencapai 37.14 % dari kondisi as quenched, atau sekitar 50.16 % dari kekerasan maksimum didapatkan hanya dalam waktu 5 menit. Peningkatan kekerasan yang drastis ini disebut dengan fenomena cluster hardening, diimana langsung terbentuk sub-nanometer atomic cluster setelah pendinginan cepat setelah laku pelarutan. Kemudian atomic clustering ini memicu terbentuknya presipitat yang berkontribusi pada peningkatan kekerasan komposit. Ringer et.al[10,11] dalam penelitiannya terhadap fenomena cluster hardening paduan Al-Zn-Mg-Cu menyimpulkan bahwa, terdapat tahap awal pengerasan yang terjadi sangat cepat dan sebagian besar tercapai dalam waktu 60 detik. Tahap ini terjadi karena adanya co-clustering atom Mg-Zn dan clustering kecil atom Cu. 60 % dari total kekerasan yang dicapai pada kondisi penuaan puncak didapatkan terjadi pada waktu 5 menit penuaan. Hal ini dikarenakan terbentuknya sub-nanometre atomic cluster yang berisi Cu dan Mg. Fenomena cluster hardening ini menyebabkan kekuatan mekanis dan kekerasan paduan meningkat secara drastis pada beberapa detik setelah penuaan. Dengan penambahan Mg, maka kekerasan akan semakin meningkat. Pada penuaan puncak, kekerasan yang didapatkan berturut-turut untuk 3, 4, dan 5 wt. % Mg adalah sebagai berikut 83.24, 86.2 dan 88.8 HRB. Kondisi penuaan puncak didapatkan dalam waktu pengerasan penuaan selama 2 jam. Pada kondisi penuaan puncak, kekerasan yang didapatkan meningkat seiring dengan bertambahnya kandungan Mg. Rata-rata peningkatan kekerasan


7

dengan adanya penambahan kandungan Mg pada kondisi penuaan puncak adalah 3.29 %. Nilai ini lebih besar jika dibandingkan dengan rata-rata peningkatan nilai kekerasan pada kondisi as quenched (1.09 %). Hal ini membuktikan bahwa pada proses penuaan, Mg berkontribusi pada proses pengerasan presipitasi. Jika dilakukan proses penuaan pada paduan Al-Zn-Mg, maka akan menghasilkan pengerasan presipitat. Mg akan bereaksi dengan Zn membentuk fasa kedua yang berperan untuk meningkatkan kekerasan paduan. Fasa kedua ini adalah MgZn2. Berdasarkan penelitian Sun et.al[13] pada komposit AA 7075 berpenguat SiC yang telah dilakukan proses penuaan, terbentuk presipitat fasa MgZn2 semi koheren yang efektif dalam memberikan efek penguatan. Presipitat ini akan meningkatkan kekerasan dan kekuatan dengan cara menghambat pergerakan dislokasi. Dengan adanya presipitat ini, maka kekuatan luluh dan UTS juga akan semakin meningkat. Gambar 2 menampilkan harga impak komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi kandungan Mg sebanyak 3, 4, 5 wt. % pada kondisi penuaan puncak. Berdasarkan data tersebut, rata-rata energi impak yang didapatkan dari masing-masing variasi komposisi adalah 3.73 J untuk 3 wt. % Mg, 3.93 J untuk 4 wt. % Mg dan 2.83 J untuk 5 wt. % Mg. Secara keseluruhan, harga impak pada kondisi penuaan puncak lebih besar dibandingkan dengan harga impak pada kondisi as cast. Rata-rata peningkatannya yaitu 59.73 %. Gambar 3 menunjukkan permukaan patahan komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi kandungan Mg sebesar 3, 4, dan 5 wt. %.

60000

91 90 89 88

40000

87 30000

86 85

20000

84

Kekerasan (HRB)

Harga Impak (J/m2)

50000

Harga Impak kekerasan

83

10000

82 0

81 2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Kadungan wt. % Mg

Gambar 2 Pengaruh Mg terhadap harga impak komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC pada kondisi penuaan puncak.


8

Pada kurva pengujian impak yang dibandingkan dengan kurva kekerasan, maka didapatkan nilai yang berbanding terbalik antara keduanya. Dengan meningkatnya kandungan Mg, kekerasan semakin meningkat namun harga impak komposit akan semakin menurun. Adanya hubungan terbalik antara nilai kekerasan dengan harga impak membuktikan bahwa peningkatan nilai kekerasan akibat proses penuaan tidak disertai dengan peningkatan ketangguhan. Ketangguhan merupakan kombinasi dari dua sifat mekanis, yaitu kekuatan dan keuletan. Pada penelitian ini, peningkatan kekerasan yang dicapai dengan bertambahnya kandungan Mg tidak disertai dengan peningkatan keuletan, sehingga ketangguhan akan semakin menurun. Perlakuan panas pada paduan Al–Zn–Mg maka akan menghasilkan presipitat penguat MgZn2 yang meningkatkan kekerasan. Semakin bertambahnya kandungan Mg, maka presipitat MgZn2 juga akan semakin banyak terbentuk. Hal ini menyebabkan terjadinya peningkatan kekerasan dan nilai UTS pada sampel. Penambahan kadar Mg akan meningkatkan nilai impak, namun persamaannya kuadratik. Dimana pada titik optimum tertentu, nilai ketangguhan akan semakin menurun dengan bertambahnya Mg ketika dilakukan proses penuaan. Peningkatan kekerasan paduan dengan bertambahnya kandungan magnesium pada tingkat tertentu (pada paduan heat treatable) akan mengorbankan keuletan[2].

Gambar 3 Permukaan patahan hasil pengujian impak pada komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi a) 3 b) 4 dan c) 5 wt. % Mg pada kondisi penuaan puncak

Ciri perpatahan sampel impak pada Gambar 3 mendukung hasil pengujian impak, bahwa perpatahannya mempunyai ciri perpatahan getas, terutama untuk sampel kandungan 5 wt. % Mg. Terlihat juga adanya clustering dari SiC, yang menyebabkan adanya kegetasan komposit. Fraksi volume SiC yang tinggi dan pengadukan pada saat pengecoran yang kurang merata dapat menyebabkan clustering SiC.


9

Gambar 4 dan 5 menampilkan hasil pengamatan mikrostruktur komposit Al-8Zn berpenguat 15 % SiC dengan variasi Mg sebesar 3, 4, dan 5 wt. %. Pada gambar tersebut, dapat dilihat mikrostuktur komposit pada kondisi penuaan awal, penuaan puncak dan penuaan berlebih. Secara umum, pada gambar tersebut memperlihatkan distribusi SiC yang tidak merata dan ukurannya yang tidak seragam. Pada gambar tersebut, terlihat ukuran butir yang cenderung berbeda setiap sampel. Tidak ada tendensi perubahan ukuran butir yang sistematis dengan penambahan Mg, sehingga dapat disimpulkan bahwa Mg tidak berpengaruh besar terhadap ukuran butir. Pada gambar semakin jelas terlihat adanya fasa yang menumpuk pada batas butir dan tersebar di dalam butir, terutama pada sampel penuaan berlebih. Pada kondisi penuaan puncak, terlihat adanya fasa yang lebih banyak dibandingkan fasa pada kondisi penuaan awal. Pada gambar, terlihat bahwa dengan bertambahnya kandungan Mg, maka diperkirakan akan semakin banyak fasa kedua yang terbentuk. Hal ini menunjukan bahwa kandungan Mg diduga berpengaruh terhadap peningkatan kekerasan dengan membentuk fasa kedua. Penuaan Puncak

Penuaan Akhir

5 wt. % Mg

4 wt. % Mg

3 wt. % Mg

Penuaan Awal

100 µm

Gambar 4 Mikrostruktur sampel komposit Al–8Zn berpenguat 15 vol .% SiC dengan variasi (a-c) 3 (d-f) 4 (g-i) 5 wt. % Mg pada kondisi penuaan awal, penuaan puncak, dan penuaan berlebih.


10 Penuaan Awal

Penuaan Puncak

Penuaan Akhir

5 wt. % Mg

4 wt. % Mg

3 wt. % Mg

As Cast

50 µm

Gambar 5 Mikrostruktur sampel komposit Al–8Zn berpenguat 15 vol .% SiC dengan variasi (a-d) 3 (e-h) 4 (i-l) 5 wt. % Mg pada kondisi as cast, penuaan awal, penuaan puncak, dan penuaan berlebih.

Berdasarkan penelitian Sun et.al[8] yang melakukan perlakuan panas pada komposit 7090 Al/SiC dengan laku penuaan selama 1 jam pada temperatur 475 oC dan dilakukan penuaan pada suhu 120 oC selama 24 jam yang menghasilkan fasa presipitat MgZn2 dan CuAl2 berdasarkan hasil XRD. Presipitat ini terbentuk sepanjang batas butir dan didaerah antarmuka partikel SiC dengan matriks. Hal ini mendukung pengamatan mikrostruktur yang penelitian ini bahwa kontras fasa disekitar batas butir diperkirakan adalah presipitat. Laju nukleasi yang tinggi ada pada batas butir, dimana difusi lebih cepat dan atom-atom menjadi lebih mudah untuk bergerak atau pindah. Hal ini terbukti dengan adanya partikel presipitat yang lebih besar di batas butir. Kemudian setelah itu, nukleasi baru terjadi didalam butir. Namun, pada foto mikro tidak dapat dilihat adanya presipitat MgZn2, karena presipitat MgZn2 hanya dapat diamati pada HRSEM atau TEM yang memiliki resolutsi tinggi. Pada penelitian Han et.al[9] ditemukan presipitat MgZn2 yang ukurannya kurang dari 50 nm yang diamati dengan menggunakan mikrograf dark field TEM. Sedangkan pada penelitian Sun et.al[8] ditemukan presipitat MgZn2 yang berukuran kurang dari 1.0 µm yang terdapat pada antarmuka SiC dengan matriks dan berukuran 2-3 µm pada sepanjang batas butir. Presipitat tersebut ditemukan dengan menggunakan TEM dan analisis hasil XRD. Perkiraan


11

terbentuknya fasa MgZn2 diperoleh dari hasil analisis senyawa kimia pada EDX. Hal ini disebabkan karena presipitat MgZn2 memiliki ukuran yang sangat kecil. Gambar 6 menampilkan pengamatan SEM pada komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi Mg sebesar 3, 4, dan 5 wt. % Mg pada kondisi penuaan puncak yang diambil pada perbesaran 500x. Tabel 1, 2 dan 3 adalah hasil analisis mikro pada komposit Al8Zn-3Mg berpenguat 15 vol. % SiC pada kondisi penuaan puncak dengan kandungan masingmasing 3, 4, dan 5 wt. % Mg. Pada Gambar 6, titik 1 merupakan daerah SiC, titik 2 merupakan daerah antarmuka, titik 3 diambil pada daerah yang berbeda-beda pada setiap komposisi, dan titik 4 merupakan matriks. Gambar 6a merupakan pengamatan pada komposit dengan komposisi 3 wt. % Mg. Berdasarkan hasil EDX, kandungan Fe pada titik 3 sangat tinggi. Pada daerah ini diprediksi adanya fasa Al3Fe2Si. Adanya fasa Al3Fe2Si ini merupakan fasa intermetalik yang dapat menggetaskan komposit. Gambar 6b merupakan pengamatan pada komposit dengan komposisi 4 wt. % Mg. Pada tabel 2 titik 2 menunjukan daerah antarmuka, dimana berdasarkan hasil EDX terdapat kadungan oksigen yang cukup tinggi. Diperkirakan terbentuk spinel Mg2AlO2 yang ditandai dengan tingginya oksigen di daerah sekitar antarmuka. Titik 3 terdapat pada matriks, kemungkinan fasa yang terdapat pada titik ini adalah MgZn2. Gambar 6c merupakan pengamatan pada komposit dengan komposisi 5 wt. % Mg. Pada tabel 3, titik 2 diperkirakan terbentuk spinel Mg2AlO2 disekitar antarmuka. Titik 3 menunjuk pada daerah pada pertemuan batas butir. Berdasarkan hasil EDX, fasa yang mungkin ada pada daerah tersebut adalah MgZn2. Dengan begitu, ini membuktikan bahwa diperkirakan memang ada fasa kedua MgZn2 pada batas butir matriks. Adanya kandungan Fe dan Mn pada daerah ini sangat kecil, sehingga keberadaannya bisa diabaikan. Adanya kandungan C yang dukup tinggi pada semua komposisi diperkirakan tidak akurat.

Gambar 6 SEM komposit Al–8Zn dengan variasi a)3 b) 4 dan c) 5 wt. % Mg berpenguat 15 vol. % SiC pada kondisi penuaan puncak.


12

Tabel 1 Hasil analisis mikro pada komposit Al-8Zn-3Mg dengan 15 vol. % SiC pada kondisi penuaan puncak. Titik 1 2 3 4

Zn 0.90 5.18 3.04 8.70

Mg 0.11 2.81 1.29 2.63

Kandungan Unsur (wt. %) Si C Fe Mn 59.19 37.91 0.25 0.13 2.53 23.13 0.02 3.28 8.77 13.52 0.20 9.58 0.15 0.05

Keterangan O 1.03 2.96 5.72

Bal 0.42 66.33 64.47 72.47

SiC Antarmuka Fe2SiAl8 Matriks


Zn 0.61 1.25 7.32 5.65

Mg 0.15 1.20 2.64 3.55

Kandungan Unsur (wt. %) Si C Fe Mn O 71.74 26.14 0.12 0.10 0.71 3.65 51.50 4.07 19.26 19.49 0.71 9.37 0.09 0.03 9.04

Keterangan Bal 0.56 19.07 71.81 71.79

SiC Antarmuka MgZn2 Matriks


Zn

Mg

0.66 1.62 7.87 6.36

0.16 0.95 2.95 3.91

Kandungan Unsur (wt. %) Si C Fe Mn 59.20 0.98 -

28.54 41.30 26.03 6.45

0.07 0.10

0.06 0.04

Keterangan O

Bal

0.75 36.66 6.49

0.64 18.49 63.14 71.99

SiC Antarmuka MgZn2 Matriks

Peningkatan kekuatan dan kekerasan pada beberapa paduan logam diperoleh dengan pembentukan partikel fasa kedua yang sangat kecil dan tersebar secara merata dalam fasa matriksnya. Hal ini dapat dicapai dengan melakukan transformasi fasa yang diperoleh dari perlakuan panas yang tepat. Proses ini disebut pengerasan penuaan, karena partikel kecil dari fasa kedua tersebut disebut presipitat. Pada pengamatan SEM dan EDX ini diperkirakan terdapat fasa kedua yaitu MgZn2 yang memungkinan berkontribusi dalam peningkatkan kekerasan pada komposit. Penguji balistik merupakan target akhir dari penelitian ini. Hasil pengujian ini menunjukan bahwa semua pelat tidak dapat menahan penetrasi peluru. Pelat dengan komposisi kandungan 3 wt. % Mg memberikan respon ketahanan balistik yang paling baik dibandingkan komposisi lainnya. Pelat lapisan kedua dengan kandungan 3 wt. % Mg tidak pecah, hanya mengalami retak pada beberapa bagian yang dipicu oleh adanya porositas. Sementara pelat lapisan 3 pecah menjadi 3 bagian besar. Pada pelat komposisi 4 dan 5 wt. % Mg terlihat pecahan yang tidak beraturan. Pelat lapisan kedua komposisi ini, ikut pecah karena tidak mampu menyerap beban balistik. Gambar 7 menampilkan pengukuran diameter jejak peluru dan diameter perforasi pada pelat lapisan 1. Pada gambar tersebut terlihat bahwa dengan peningkatan kadar Mg, diameter


13

jejak peluru dan daerah terperforasi akan semakin besar. Daerah terperforasi merupakan daerah yang terkena deformasi plastis. Daerah ini berada pada sekitar diameter jejak peluru. Daerah ini terlihat mengalami deformasi akibat pengaruh penetrasi peluru kaliber 7.62 mm yang gerakannya berputar. Terlihat pada gambar tersebut, pada komposit dengan kandungan 3 wt. % Mg memiliki daerah perforasi yang paling kecil. Hal ini dapat terlihat dengan jelas, baik pada pelat bagian depan maupun pada bagian belakang. Pelat 5 wt. % Mg memiliki diameter jejak peluru dan diameter perforasi yang paling besar diantara pelat 3 dan 4 wt. % Mg. Sedangkan pada komposisi 4 dan 5 wt. % Mg memiliki diameter perforasi yang sama. Tembusnya peluru pada komposit ini menyebabkan terbentuknya daerah menyerupai kawah pada sekitar lubang bekas peluru. Deformasi ini terlihat jelas pada komposisi 4 dan 5 wt. % Mg. Dengan adanya deformasi tersebut, maka memberikan tekanan tambahan untuk pelat 2 sehingga pelat 2 dan 3 pada komposisi 4 dan 5 wt. % Mg mengalami perpecahan. Pelat Bagian Belakang

5 wt. % Mg

4 wt. % Mg

3 wt. % Mg

Pelat Bagian Depan

Gambar 8 Diameter jejak peluru dan diameter terperforasi pada pelat 1 komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi (a-b) 3 (c-d) 4 dan (f-g) 5 wt. % Mg pada kondisi penuaan puncak.


14

Diameter jejak peluru pada komposit dengan variasi kandungan Mg sebesar 3, 4, dan 5 wt. % berturut-turut adalah 8.09, 8.6 dan 8.74 mm. Sedangkan diameter perforasi pada komposit dengan kandungan 3, 4, dan 5 wt. % Mg adalah 11.38, 21.33 dan 21.33 mm. Pada pelat bagian belakang, terlihat perubahan diameter yang lebih signifikan. Diameter jejak peluru pada komposit dengan kandungan 3, 4, dan 5 wt. % Mg berturut-turut adalah 11.38, 12.63 dan 19.33 mm. Sedangkan diameter perforasi komposisi dengan kandungan 3, 4, dan 5 wt. % berturut-turut adalah 16.32, 22.73, dan 24.7 mm. Kemampuan pelat 1 untuk menahan laju peluru dapat dilihat pada diameter jejak peluru. Semakin kecil diameter jejak peluru, maka semakin baik kemampuan komposit untuk menahan penetrasi peluru. Artinya komposit cukup tangguh untuk menahan laju penetrasi peluru yang gerakannya melingkar. Disekitar diameter jejak peluru, terdapat daerah perforasi. Semakin besar daerah perforasi, kemampuan komposit terhadap beban balistik semakin menurun. Artinya komposit memiliki kinerja atau performa balistik yang semakin buruk. Pada penelitian ini, penambahan Mg yang disertai dengan proses penuaan menyebabkan kekerasan yang semakin meningkat. Kekerasan yang semakin meningkat ini akan mengorbankan nilai keuletan, sehingga ketangguhan pada komposit juga berkurang. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya perpecahan yang semakin parah pada pelat dengan meningkatnya kandungan Mg. Sebenarnya dengan dilakukannya proses penuaan, maka ketangguhan material akan meningkat. Hal ini dapat terbukti dengan membandingkan harga impak sampel as cast dengan sampel pada kondisi penuaan puncak. Hasilnya, sampel pada kondisi penuaan puncak memiliki harga impak yang lebih tinggi dibandingkan sampel as cast. Namun, pada penelitian ini harus disesuaikan dengan kandungan Mg yang optimum. Semakin tinggi kandungan Mg, maka kekerasan akan semakin meningkat. Peningkatan kekerasan (yang diikuti kekuatan) pada komposit akan meningkatkan performa balistik sampai pada tingkat kekerasan tertentu. Namun, jika kekerasan melebihi pada kondisi optimumnya, performa balistik tidak akan meningkat dan malah akan menurun[10]. Inilah yang menyebabkan semakin meningkatnya kandungan Mg, ketahanan komposit terhadap penetrasi peluru semakin menurun.

Kesimpulan Berdasarkan pengujian dan analisis pada komposit Al-8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi Mg sebesar 3, 4, dan 5 wt. % maka dapat disimpulkan:


15

1. Meningkatnya kandungan 3, 4, dan 5 wt. % Mg setelah dilakukan proses penuaan pada suhu 200 oC akan meningkatkan kekerasan puncak komposit, berturut-turut menjadi 83.24, 86.2 dan 88.8 HRB. Kekerasan maksimum dicapai dalam waktu penuaan selama 2 jam. Hal ini diperkirakan terjadi karena adanya proses pengerasan presipitat akibat proses penuaan yang membentuk fasa kedua MgZn2 2. Sekitar 50.16 % dari nilai kekerasan maksimum komposit didapatkan dari 5 menit pertama pengerasan penuaan. Terjadi fenomena cluster hardening pada komposit Al-ZnMg, yang diperkirakan disebabkan karena terbentuknya sub nanoatomic clustering yang terjadi pada awal proses penuaan setelah laku pelarutan dan pendinginan cepat. 3. Meningkatnya kandungan 3, 4, dan 5 wt. % Mg pada komposit maka harga impak yang dihasilkan adalah 43250.48, 44675.15, 31136.99 J/m2. Adanya peningkatan kekerasan akibat hasil proses pengerasan presipitat yang tidak disertai dengan peningkatan keuletan, sehingga menyebabkan ketangguhan akan semakin menurun. Proses perlakuan penuaan meningkatkan ketangguhan komposit jika dibandingkan dengan sampel as cast dengan rata-rata sebesar 59.73 % 4. Pada hasil pengujian balistik, komposit dengan kandungan 3 wt. % Mg memiliki performa balistik yang paling baik. Meningkatnya kandungan 3, 4, dan 5 wt. % Mg menyebabkan performa balistik semakin menurun. Hal ini disebabkan karena dengan meningkatnya kekerasan melebihi kondisi optimumnya, sehingga ketangguhan menurun dan performa balistik akan semakin buruk. 5. Komposit Al–8Zn berpenguat 15 vol. % SiC dengan variasi 3, 4, dan 5 wt. % Mg tidak mampu untuk menahan penetrasi peluru kaliber 7.62 tipe III pengujian balistik. Hal ini disebabkan oleh matriks yang terlalu getas dan kandungan fraksi volume SiC yang terlalu tinggi. Ditemukan adanya clustering SiC menyebabkan kegetasan. Selain itu, ditemukan juga beberapa porositas yang memicu terjadinya retakan pada komposit. 6. Berdasarkan pengamatan mikrostruktur, semakin lama waktu penuaan, maka semakin banyak kontras fasa yang terbentuk baik pada batas butir maupun di dalam butir. Selain itu, dengan meningkatnya kandungan 3, 4, dan 5 wt. % Mg maka kontras fasa yang terbentuk juga akan semakin banyak. 7. Hasil SEM dan EDX tidak dapat menunjukan adanya presipitat. Namun, pada hasil analisis EDX menghasilkan perkiraan fasa kedua MgZn2.


16

Saran Untuk peneitian lebih lanjut, sebaiknya peningkatan kandungan Mg yang optimum sehingga tidak menghasilkan kekerasan berlebih ketika dilakukan proses pengerasan penuaan. Karena apabila komposit terlalu keras, maka akan cenderung getas dan nilai ketangguhan akan turun. Mengurangi fraksi volume SiC agar komposit tidak terlalu getas, serta merubah ukuran partikel SiC menjadi lebih halus. Penelitian ini didanai melalui skema insentif SINAS Kemenristek RI Tahun 2012. Ucapan terimakasih kepada Sdr. Ahmad Ashari, S.T yang telah membantu proses pengecoran.

Referensi 1. Hallstedt, B., Schneider, J. M. (2004). Simple Approach to Pressure Dependence, Examplified in the Al-Mg-Si System, Materials Chemystry. RWTH Aachen, Germany. Paper 2.8. 2. Barresi, Joseph., Kerr, Mark J., Wang, Hao., Couper Malcolm J. (2000) Effect of Magnesium, Iron and Cooling Rate on the Mechanical Properties of Al-7Si-Mg Foundry Alloys. AFS Transactions, 563-70. 3. ASM International. (2003). Heat Treating and Surface Engineering. Indiana, USA: Proceedings of the 22nd Heat Treating Society Conference and the 2nd International Surface Engineering Congress. 4. Polmear, I.J. (2008). Aluminium Alloys – A Century of Age Hardening. Institute of Materials Engineering Australasia Ltd. 5. Ringer, S.P. (2006). Advanced Nanostructural Analysis of Aluminium Alloys Using Atom Probe Tomograpghy. Materials Science Forum Vols. 519-521 pp 25-34. 6. Ringer, S.P., Hono, K. (2000). Microstructural Evolution and Age Hardening in Aluminium Alloys: Atom Probe Field-Ion Microscopy and Transmission Electron Microscopy Studies. Elsivier: Material Characterization 44: 101-131. 7. Ringer, S. P., Hono, K., Sakurai, T., Polmear, I. J. (1996). Cluster Hardening in Aged AlCu-Mg Alloy. Australia: Elsivier Science Ltd. 8. Sun., Y., Yan, H., Zhen-hua, C., & Hao Z. (2007). Effect of heat-treatment on microstructure and properties of SiC particulate-reinforced aluminum matrix composite. Trans. Nonferrous Met. SoC. China 17: s318-321.


17

9. Han, J. (2010). A Comparison of the Effects of Pre-ECAR and Post ECAR Aging on Microstructure and Strengthening in 7050 Al Alloy Sheet. Materials Transactions, Vol. 51, No. 11 pp. 2109 to 2112. 10. Demir, T., Ubeyli, M., Yidirim, R.O. (2008). Investigation on the ballistic impact behavior of various alloys against 7.62 mm armor piercing projectile. Elsivier: Materials and Design 29: p.2009-2016.


Kata Kunci: Balistik; Komposit alumunium; Paduan Al-Zn-Mg; Penguat SiC; Pengerasan penuaan,

Recommend Documents