l"
ProsidingPertemuan/lmiah SainsMateri III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
?
MENINGKATKAN
ISSN1410-2897
SIFAT MEKANIK PADUAN (AI -Mg
BAHAN ALUMINIUM -Si)
Ramli Sinaga Star penelitiPuslitbangKIM-LWI
ABSTRAK MENINGKATKAN SIFAT MEKANIK BAHAN ALUMINIUM PADUAN (AI- Mg -Si). Perbaikan sifat mekanis bahan aluminium yang dilakukan dengan proses aging dipengaruhi oleh temperatur dan waktu. Temperatur dan waktu solution treatment adalah 540. C dengan waktu 30 menit. Proses aging yang digunakan adalah artifical aging (penuaan buatan) yang dilakukan padatemperatur100. C, 150. C, 200.C, 250.C, 300.C sedangkanwaktu aging divariasikan 5 jam, 10jam dan 15jam. Pengujian yang dilakukan meliputi uji tarik, uji kekerasan terhadap sample uji tanpa perlakuan (aging) dan setelah perlakuan (aging). Dari basil penelitian diperoleh kekuatan tarik maksimum terjadi pada temperatur 200. C dengan waktu aging 15 jam sebesar(J. =28,10 kg/mm2, regangan 10,2 % sertakekerasannya (HV) = 81,4 N/mm2 ,sedangkankekuatan tarik terendah terjadi pada temperatur 100. C denganwaktu aging 5 jam sebesar (J. = 7,68 kg/mm2 dan regangan39,3 % kekerasannya (HV) =53,83 N/mm2 Tanpa perlakuanaging diperoleh(J. = 17,71 kg/mm2 , regangan25,2 % sertakekerasannya(BY) = 66,2 N/mm2
ABSTRACT IMPROVING THE MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOY-ALUMUNIUM (AI-Mg-Si). Repair mechanical properties aluminium which done by aging processinfluence by temperatur and time. Temperatur and time solution treatment is 540. C with holding time 30 minutes. Aging processwhich to use is artificial aging that to do on temperature 100. C, 150. C, 200 .C, 250. C, and 300. C whereasaging time in variation 5 hour, 10 hour,and 15hour. Experiment which done is ultimate strength, hardness toward sample test without aging treatment and after aging treatment. From the result research gain the maximum ultimate strength happen on temperature200. C by aging time 15 hour is 0". =28.10 kg/mm2 , elongation 10.2 % and hardness (HV) = 81.4 N/mm2 , whereasthe lower ultimate strength happen on temperatur100. C by aging time 5 hour is 0". = 7.68 kg/mm2 and elongation 39.3 % hardness (HV) =53.83 N/mm2. Without aging treatment gain 0". = 17.71 kg/mm2, elongation 25.2 % and hardness(HV) = 66.2 N/mm2 .
LATAR BELAKANG PENELfflAN Bahan aluminum tennasuk logam ringan yang mempunyai kekuatantank, tahanterhadapkarat danjuga merupakan konduktor listrik yang baik. Luasnya penggunaan logam aluminium, khususnya paduan (AlMg-Si) yang digunakan untuk konstruksi bangunan sepertikusen, pintu,jendela, ternlis, sehingga dt"butuhkan suatukarateristik sifat mekanis yang betbeda-bedasesuai dengan penggunaannya. Untuk meningkatkan sifat mekanispada bahanmaterial aluminium dapatdilakukan dengan berbagai cara, diantaranya dilakukan dengan perlakuanaging yang dipengamhi oleh dua variabel yaitu temperaturdan waktu
TUJUAN PENELITIAN Tujuan penelitian ini untuk mengetahui penggunaan temperatur daD waktu aging dalam memperbaiki sifat mekanis (kekuatan tarik, kekerasan serta struktur mikro) bahan aluminium yang digunakan dalam pembuatan profil konstruksi dengan sistem ekstruksi didalam prosesindustri.
RUANG LINGKUP PENEUTIAN Pada penelitian ini bahan baku yang digunakan paduan AI-Mg-Si (AA6061) standard Aluminium Association sedangkan6061 menyatakan satandard AA dari paduannya Mg dan Si sebagai unsur paduan utama dengan penandaan angka pertama menyatakan sistem paduan dengan unsur-unsur yang ditambahkan, angka kedua menyatakan impuritis atau unsur-unsur pengotor dalam paduan, angka ketiga dan keempat menyatakan kemumian dalam paduan yang dimodifiksi. Proses perlakuan aging yang dilakukan dengan parameterparameterdenganvariasi temperatur 100" C, 150"C, 200" C, 250. C, 300"C dengan variasi waktu 5jam, 10jam dan 15jam untuk masing-masingtemperatur. Komposisi kimia bahan penelitian (Paduan AlMg-Si=AA6061) ; 0,8507%Mg 0,0023 %Zn 0,0012 % Pb 0,6629 % Si 0,0209 % Co 0,0009 % Sn 0,2128%Fe 0,2951 %Cu 1,3417%M~Si 0,0316 % Mn 97,851%AI O,OI44%Ti
0,0640 % Cr 0,0051 %Ni
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMater; /II Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
TEORI DASAR
berturutan 1. Solution Heat Treatment
Paduan AL-Mg-Si Perlakuan panas larutan pada suhu diatas kurva kelarutan. Untuk ekstrusi-ektrusi, suatuperlakuan panas larutan yang terpisah seringkali tidak perlu, karena bentukyang berektrusitelah memiliki temper dan kondisikondisi yang berkaitan dengan kondisi-kondisi suatu piece yang menerima perlakuan panaslarutan.
Penambahan unsur Mg yang relatip sedikit didalam aluminium, pengerasanpenuaan sangatjarang terjadi, tetapi apabila secarasimultan mengandung (Si), maka dapat dikeraskan dengan penuaan panas setelah per1akuanpelarutan. Hal ini disebabkankarena senyawa (Mg2Si) berfungsi sebagai komponen mumi daD membuat kesinambungan dalam sistem biDer semu denganaluminium. Paduandalam sistem ini mempunyai kekuatan kurang baik sebagai bahan tempaan
2. Penceluoan (Quenching) Prosespendinginan dilakukan didalam media cair yang bertujuan untuk mempertahankan larutan padat yang terbentuk selama proses solution heat treatment. Temperaturpendinginan biasanyatidak terialu jauh dari tempemtur ruang. Pendinginan inijuga berfungsi untuk mempertahankan jumlah tempat atom kosong yang dibutuhkan selama proses pembentukan endapan.
dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya. tetapi sangat liat, mempunyai mampu bentuk yang baik untuk penempaan ataupun untuk ekstruksi. Paduan AI 6063 banyak digunakan untuk rangka-rangka konstruksi karena paduan dalam sistem ini mempunyai kekuatan yang cukup baik tanpa mengurangi hantaran listrik daD dapatdilihatpada tabell.
3.ProsesA2ing (Qenuaan) Setelahpaduandicelup, akan diperoleh rasa lewat
Tabell. Sifat mekanikpaduan(AI- M~ -Si)( 2)
~3
T5 ~
T83
I
30 28
28,0
15
14,8 ~~,~
I
12 ~~
24,6 12,6
14,8 5,6
31,6
19,0 ~.~ 26,0
24,6
I
Perlakuan panas paduan Aluminium Aluminium paduan baik produk mill maupun produk cor dapat dibagi menjadi dua grup yaitu : 1. Paduan Non Heat treatable, yaitu paduan aluminium yang tidak dapat dikeraskan dengan proses perlakuan panas heat treatment 2. Paduan Heat treatable, yaitu paduan yang dapat dikeraskan dengan pr~s~sperl~ ~anas. Menurut AlUIDlmum Association, grup paduan non heattreatable terdiri dari paduan-paduan dari seri : I~ (minimum 99,OOO/oAl) ; 3~ (Al- Mn); 4~ (AlSi); 5~ (Al- Mg), Sedangkangrup paduanaluminium heat treatableterdidi dari paduan-paduandari seri : 2xxx (Al- Co) ; 6xxx (Al-Mg -Si); 7xxx (Al- Zn) Perlakukan panas dilakukan untuk mendaptakan sifat mekanis yang diperlukan pada paduan aluminium yailu dengan mengubah tingkat kelarutan sualu unsur atau senyawasuatu paduan, misaInya (M~Si) pada precipitation hardening atau age hardening. Prinsip-prinsip metalurgi PengerasanPresipitasi (presipitation hardening) :
11,9 ~~,~
II
60 ~
IS,S
6,7 (;,7
82
-
jenldl. Fasaini bersifat menstabilkandan berubahmenjadi rasa lain yang cendnmg membentuk presipitasi, rasa kedua memberikan efek penguatan kepada paduan, prosesini dinamakanaging. Prosesaging dapatdilakukan denganmembiarkanmaterialdalam temperaturkamar (agingalamiah) atau memanaskanmaterial dalam temperatur tinggi (aging buatan). Aging alamiah dapatterjadi dalam beberapa jam sampai berbulan-bulan, contohnya paduan (AlCuM~ atau AA2024) pada gambar I. Pada agingaIamiall, penguraianfasa(a.)bernwaldari terjadinya endapan koheren yang kaya kandungan Cu. Zone ini dinamakanGP (guinerp~n). Endapanini menimbulkan ~.. 'q("
:;O/(!!i'tfrlfsectll~t.~ll
.~
0"" ~ ',.,,',;,
.7(10-
(;ii'."""}.:'-'!',' arl.':tiClu! aYtfJ!I
).~--~~--~-",.,
"~ilul'l?l iJ,Qi."ig,'
11 tJ
j)
!) !ilTleif1t,
J2
i..)'
(A). Ooerasi-ooerasi Perlakuan Panas (Heat Treatin1!). Gambar 1
Untuk pengerasan penuaan (age hardening), perlakuan panas dilaksanakan dalam tiga langkah
Ramli Sinaga
Perlakuan panas yang menunjukkan pengerasan penuaan dari AICuMg, (AA2024) (2]
91
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20- 21 Oktoher 1998 tegangan lokal dan memberikan efek penguatan pada bahan.Pada aging buatan biasanya dilakukan pada temperatur 200°C -300°C sehingga akan terbentuk rasa «I»yang stabil.Lama kelamaanendapanakan membentuk stmktur yang inkoheren dengan matrik, rasa ini disebut «I» (endapan CuAlJ dengan stmktur kristal ortorombik, karerui susunan yang koheren, maka distorsi hilang dan efek penguatan atau kekerasannya naik. U otuk suatujaenis paduan tertentu kemampuan untuk mengalami pengerasan penuaan (age hardenability), sertarange suhu untuk perlakuan panas larutan, dapat ditentukan dari bagian bawah diagram kesetimbanganyang menunjukkan keadaanpadat. Pada seksi berikut, langkah-langkah yang diambil selama perlakuan panas dipertimbangkan bersama dengan pembahan-pembahan yang diamati pada stmktur. Bila temperatur aging terlalu tinggi atau waktu aging terlalu lama, makaakan dapatmenimbulkankondisi overaging, dimana mengakibatkanterjadinya penumnan kekuatan atau kekerasan material. Kekuatan daD kekerasan sangat dipengaruhi oleh morfologi endapan (partikel) yang terjadi, seperti terlihat pada gambar2.
f---t~' f 6? .-. h')
'-r -'-.
t
.~-
""-;""
O..-c~"'~
",
,;."
~ ,
J ~.~,
"(
"~
~
.,,""" I
-"
...i~:S
I-
~'
,
JOt)
L--:-:-:--,.::::-:..c :::~:=:.."" Gambar
2.
Pengaruh morfologi partikel pergerakan dislokasi [I)
terhadap
a). Partikel halos denganjarak yang rapat, maka dislokasi sukar bergerak, sehingga diperoleh kekuatan material yang tinggi. b). Partikel berukuran sedang dan tersebar padajarak yang agak jauh, dislokasi relatif mudah bergerak, sehinggakekuatanmaterial menjadi agak rendah. c). Partikel besar dan tersebar pactajarak yang sangat jarang, maka dislokasi sangatmudah bergerak,sehingga kekuatan materialnya sangatrendah. (B). Penataankembali selamahomoeenisasidan ekstmsi DOOnanAlMI!Si (AA6061 ). Sampai saatini barn ada sedikit sturn mengenai mekanisme preipitasi yang sebenarnya pada paduan komersial. Pernbahan-pernbahanstruktural yang diduga terjadi pada paduan AlMgSi 0,5 (AA6063), hal ill menggambarkan diameter maksimum dan ukuran ratarata presipitat daD zone yang mungkin akan diduga terdapat pada tahap-tahap yang berbeda daTi fabriksi, hila suatu billet ekstrnsi dan bentuk yang diproduksi mengikuti siklus termal yang saat ini digunakan di industri, hal ill menggambarkan suatu pendinginan
*:'~'~~~~1
ISSN1410-2897 perlahan-lahan atasbillet ekstrusi setelah homogenisasi mengakibatkan presipitasi yang cukup besar dari atomatom magnesium dan silikon menjadi partikel-partikel berukuran sedang pada awal proses ekstrusi dan mengakibatkan kekuatan paduan berkurang. Selama ekstrusi dan sesudahnya, sebagian besar presipitat kembalike dalam larutan. Semakinkurang homogensuatu billet ekstrusi,semakintinggi kehati-hatian yang dituntut untuk mengembalikan presipitat-presipitat M~Si ke dalam larutan sebelum mendinginkan bentuk tersebut, untuk mendapatkansifut -sifat mekanis yang cukup tinggi melalui penuaan yang menyusul. Suatu kriteria yang penting adalah subu saatkeluar (exit temperature) yang mungkin 480-550. C untuk AA6063, tergantungdari subu billet, kecepatanpres dan tekanan ekstrusi. Keberadaan presipitatkasar mempermudahekstrusi, namun demikian kondisi harus dipilih supayapresipitat-presipitat tersebut kembalike dalam larutan sebelumbentuk itu didinginkan.
TATA KERJA PENELITIAN Sam~l uji yang dilakukan dengan dua tahapan: yang ~rtama dilakukan dengan proses~rlakuan panas daD yang kedua tanpa perlakuan panas, kemudian dilakukan ~ngujian sifat mekanis (uji tarik, kekerasan daD metalografi). Proses perlakuan panas yang dilakukan pada sam~l-sampel uji dengan solution heat treatment padatemperatur 540 °C selama 30 menit, kemudian didimginkan di air,selanjutnya dilakukan proses ~nuaan buatan (artificial aging) dengan variasi temperaturdari 100, 150,200,250 mn 300"C juga dengan variasi waktu aging 5, 10, 15 jam untuk setiap variasi temperaturdiatas.Diagramalir tatakerja diberikan dalam gambar3. Kemudian dilakukan ~mbuatan sample uji tarik, uji kekerasan daD metalografi, kemudian dilakukan pengujian untuk setiap sampel uji untuk masing-masing variasi temperatur daD waktu aging, hat ini dilakukan untuk mengetahui temperatur dan waktu aging yang mendekati suat mekanis yang tertera pada tabel1.
HASH..PENELITIAN Data Basil Pengujian Tank Dari basil pengujian tarik dengan variasi temperaturaging dan waktu aging yang digunakan dapat dilihat pada tabel 2. Dari dasar teori pengujian dapat diIihat pada gambar 4 dan 5. Data Basil Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan menggunakan metoda Vichker dengan identor beIbentukpirarnida bujur sangkar yang terbuat dari intan. Proses pengujiannya dengan memasang sampel uji yang telah dihaluskan permukaannya sampai rata pada mesin uji dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 3.
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong, 20 -2l
Oktober 1998
ISSN 1410-2897 Tabel 2
DIAGRAM ALIR'rATA I<EIUA
Q
Hasil pengujian tarik rata-rata (a.) terhadap temperatur (OC)dan waktu aging (jam) serta grafiknya.
cru
~mm1. 768 1456 3010 2764 1485 2641 2899 2680 28 10 1834 1722 1855 1675 1446 1422
r"Q;;;;w.. Id~1ir \
.tp
-1771
1440 2460 21,20 21,90 16,70 12,40 10,20 1290 15,30 13,20 24 10 29,90 ISO 25.2
Gambar 3. Diagram alir tata kerja
PEMBAHASAN Dari label 2 diperoleh kekuatan tarik maksimum terjadi pada temperatur 100 DCdan waktu aging 15 jam, hal ini didukung oleh distribusi M~Si yang lebih mel'ata, demikian juga pada t = 150 DCclan waktu aging 15 jam kekuatan tariknya menurnn, tetapi pada t =200 DCclan waktu aging 5jam kembali kekuatantariknya naik hingga waktu aging 15jam. Mulai dari t =250 DChingga t=300 DC dengan variasi waktu aging, kondisi tegangantarik terns menurnn, hal ini menandakan terjadinya over aging dan kondisi ini sangatmerngikan. Dari tabel3 diperolehkekerasanmaksirnumteljadi pada temperatur 200DC waktu aging 15 jam hal ini didukung oleh struktur presipitat yang terdistribusi merata. Mulai dati tempeartur 250 DChingga 300 DC kekerasannyaterns menurnn, hal ini menunjukkan sifat logam mendekatinilai kekuatantariknya. Dati basilmetalografi daIXolt dilihat padatemperatur 100 "Cdan waktuaging 5 jam hingga 10jam belummemta, tetapi pada waktu aging 15 jam distribusi butiran lebih merata. Pada temperatur 150 DCdaD waktu aging 5 jam butiran terdistribusi, tetapi mulai mengumpul clan
Ramli Sinaga
93
ISSN 1410-2897
, '.' ."
Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktoher 1998 Tabel
3.
ISSN1410-2897
Hasil pengujian kekerasan (HV) rata- rata terhadap temperatur (OC) dan waktu aging (jam).
Temp. Aging
(C)
ill
Sampel
HV
Waktu Aging (jam)
(N/mm1
5
i
10
100
15
§,2§ 74.04
~
48,90
15 5
6546 == ~~
200
10
!i
~ ~ ~
5
10
250
60.50
15 5
-
II
10 15
300
Gambar7. Struktur mikro paduan AI 6061, temperatur aging 100 .c, waktu aging IS jam, pembesaran
50.23
10
150
53,83
52,66 .
44.13
~ 66,20
t.p
Gambar 8.
Struktur mikro paduan AI 6061, temperatur aging 200 .C, waktu aging 15 jam, pembesaran
Gambar9. Struktur mikro paduan AI 6061, temperatur aging 250 °C, waktu aging 15 jam, pembesaran
A
~
Gambar 6. Struktur mikro paduan AI 6061, tanpa perlakuan panas, pembesaran 50 x;A=putih kecil= MgzSi, B=hitam = AI, C=putih
Gambar 10. Struktur mikro paduan AI 6061, temperatur aging 300 .C, waktu aging 10 jam, pembesaran 50 x
besar=Fe)SiAI,Z
KESIMPULAN kumpulan butiran terns berlanjut hingga waktu aging 10 jam hingga terbentuk butiran yang lebih besar dari sebelumnyadan hal ill ternsberlanjut hingga waktu aging 10jam hingga terbentuk butiran yang lebih besar dari sd>elumnyadan hat ini terns berlanjut hingga waktu aging 15jam.. Pada temperatur 200 °C distribusi Mg2Si lebih meratadistribusinya hingga waktu aging 15jam Mulai temperatur 250 °C hingga 300 °C dengan variasi waktu aging, penyebaranbutiran tidak meratadaD butiran lebih besar makin banyak terbentuk, keadaan ini sangatmerugikan,karenaakan menurunkan sifat mekanis bahan yang disebut over aging.
Berdasarkan analisa daD pembahasan yang dilakukan terhadap hasil penelitiandapat disimpulkan sebagaiberikut : 1. Sifat mekanis tertinggi dari paduan AI-Mg-Si (AA6061) sangat dipengaruhi oleh temperatur dan waktu aging. 2. Kekuatantarik amksimumterjadi padat= 100°Cdengan waktu aging 15jam, tetapidari pembahasandiperoleh bahanyang memiliki sifat kuat dan keras terjadi pada temperatur2000Cdengan waktu aging 15jam sebesar cru=28,10 (kg/mm1) dan kekerasannyaHV=81,4 (Nt
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
mm2) sertaregangan sebesar E=10,2 % 3. Di~ tempemturaging 200.C mulai terjadi pelnlrunan sifat mekanis, sehingga kondisi ini menandakan terjadinya overaging yang mengakibatkanpembahan pada struktur mikro dan kekuatannya menUnIn. 4. Dari kesimpulan diatas diperoleh harga temperatur dan waktu aging mendekati tabell diatas.
DAFfAR PUSTAKA. (I). ADNYANA D. N., LogamdanPaduan, Tinjauan TentangProsesPengolahandanHubunganAntara StrukturdenganSifat-sifatMekanis,Jakarta,1989 (2]. ALTENPOLH.D,Aluminium ViewedfromWithin, Dusseldorf,1982 (3]. SAITO, S DAN SURDIA T ATA,Pengetahuan Bahan Teknik, edisi ketiga, Pradnya Paramita; Jakarta,1995 (4]. SMmI, WilLIAM F, StructureandPropertiesAlloy", McGraw-HillBookCompany,1981 (5]. Technologyof Aluminium Product,by SBPBoard of Consultants& EngineersPvt,Ltd. NewDelhi.
RamiiSinaga
95
