i!)3
Prosidinf!PertemuanI/miah SainsMateri 1997
(~
ISSN1410- 2897
SIFAT TAHAN DAKAR PADUAN MAGNESIUM YANG DIPENGARUHI OLEH PENAMDAHAN UNSUR CALCIUM, ALUMINUM DAN ZINC. Maria R. Banondewf
ADSTRAK SIFAT TAHAN DAKAR PADUAN MAGNESIUM YANG DIPENGARUHI OLEH PENAMDAHAN UNSUR CALCIUM, ALUMINUM DAN ZINC. Pengaruh pen~bahan tunggal dan bersama dari unsur-unsur Ca, AI atau Zn, terhadap ketahanan bakar magnesium, diselidiki dengan mengukur suhu bakar (suhu ignition) masing-masing paduano Penambahan tunggal AI atau Zn, tidak meningkatkan suhu bakar, tetapi penambahan Ca, baik tunggal maupun bersama, meningkatkan suhu bakar sekitar lOO-140K. Lapisan oksida yang terbentuk pads permukaan paduan magnesium melalui proses peleburan, dianalisa dengan Auger Electron Spectroscopy. Hasilnya menunjukkan bahwa lapisan yang terbentuk pads permukaan paduan magnesium yang ditambahkan Ca, adalah lapisan CaO. Lapisan ini sangat efektifuntuk melindungi magnesium dari ignition. Pembentukan lapisan ini bergantung pads komposisi paduano Pads paduan Mg-3%AI-l%Ca penambahan bersama AI-Ca mempengaruhi pembentukan lapisan oksida, tetapi pads paduan Mg-3%Zn-l%Ca, pembentukan lapisan ini hanya dipengaruhi oleh unsur Ca.
ABSTRACT THE EFFECT OF Ca, AI AND Zn ADDITION ON mE FLAME -RESISTANT MAGNESIUMALLOYS. The influenceof single andjoint additionsof Ca, AI, andZn, on the flame resistanceof Mg alloys were investigated,by measuringthe ignition temperatureof Mg alloys. Single addition of AI or Zn a little effect on Mg flame retardation.However, single or joint additionofCa elevatedthe ignition temperatureof the alloys aboutIOO-140K.An oxide layer,which was formed on Mg alloys surfaceduring melting, were studiedusingAuger electron spectroscopy.The resultsshowedthat the oxide layer formed on the surfaceof Mg alloys with Ca addition is mostlyCaO. This oxide layer is favorablefor hinderingMg from ignition. The formation of this oxide layer dependson the compositionof the alloy. On Mg-3%Al-l%Ca alloy, joint addition of AI-Ca affected the formationof oxide layer,but on Mg-3%Zn-l%Ca alloy, the formationwasaffectedonly by Ca. KEY WORD
Suhubakar, ignition,Auger Electron Spectroscopy, Oxidelayer.
PENDAHULUAN Paduan magnesium digunakan secara luas dalam aplikasi struktural maupun non-struktural, misamya untuk komponen otomotif, komponen pesawat angkasa, material struktural pencegah bising, peralatan olahraga,perkakas listrik, daD untuk bidang multimedia sepertikomputer,video, hand phone daD lain-lain. Hal ini disebabkan karena sifat-sifat magnesiumyang unggul antara lain, berat jenisnya yang ringan (=1,74) tetapi mempunyaikekuatanyang cukuptinggi. Selainitu juga mempunyai sifat-sifat good cutting ability, high damping capacity, anti depression,size steadiness, daDlain-lain[ I],[2]. Tetapi, logam magnesiumadalahlogam yang sangat aktif, dimana pada proses peteburannya mudah beroksidasi daD terbakar, untuk itu diperlukan flux, gas SF6 atau serbuk belerang untuk metindungipermukaanlelehandaTioksidasi denganudaraterbuka[3], sertaperalatanpencegah terjadinya kebakaran.Hat-hal semacamini yang membuat proses produksi paduan magnesium menjadi rumit dan mahal. Dari penelitian mengenai sifat tahan bakar magnesium, diketengahkan bahwa penambahan unsur Ca sangat efektif dalam meningkatkansuhu bakar (suhu ignition) magnesium[4], daD membuat magnesium menjadi tahan bakar, sehingga
diharapkan dengan penambahanCa ini, dapat menurunkanbiayaproduksipaduanmagnesium. Paduan magnesiumyang banyak digunakan dalamindustri,salahsatunyaadalahpaduanAZ91, dengan unsur pemadu yaitu Al clan Zn. Dalam rangka membuatpaduanAZ91 yang tahan bakar denganpenambahan unsurCa, padapenelitian ini, diselidiki pengaruhpenambahantunggal unsurunsurCa, Al clanZn, serta penambahanbersama (coexistence)unsur-unsurtersebut terhadap sifat tahan bakar magnesium, clan dianalisa juga kelakuan oksidasi (oxidation behavior) unsurunsur tersebutdalam paduanmagnesium,dengan menggunakan Auger ElectronSpectroscopy(AES). PROSEDURPERCOBAAN Logam yang dipakai pacta percobaan ini adalah,99,98%Mg,99,70%AI,99,99%Zn,daDCa metal granular (Ca=40,O7).Dari masing-masing logam dibuatpaduanMg-3%Al, Mg-3%-Zn, Mgl%Ca, Mg-J%AI-l%Ca, dan Mg-3%-Zn-l%Ca. Bahan leburan sebanyak 0,2---0,25kg dilebur dalam Ar atmosftr menggunakanhigh frequency vacuuminductionfurnace, dan dituang ke dalam cetakanlogam dari baja karbon dengan diameter 38 mm pada suhu kamar. Dari ingot masingmasingpaduandibuat spesimenuntukpengukuran suhubakar,pengamatan mikrostruktur,daDanalisa AES.
'Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sairts Materi 1997 2Puslitbang Metalurgi -LIPI
90
Pros;d;nf!PertemuanIlm;ah Sa;nsMater; 1997
/SSN14/0 -2897
Pengukuran suhu bakar dilakukan pada
daerahrasaeutektik semakinluas daDbutir kristal juga semakinhalus. Berikutnya pada mikrostruktur paduan Mgsudah dipanaskanpada suhu 1073K di udara 3%AI (gambar 2(c)), terlihat bahwa pada batas terbuka. Dari thermocouple yang disentuhkan pada butir matriksa terkristalisasirasa eutektika daD spesimen dengan ukuran c/lIOmm xlOmm, yang dimasukkan ke dalam tungku (gambar 1), yang
spesimen, dicatat kenaikan dan perubahan suhu spesimen pada X-V recorder. Titik dimana terjadi perubahan gradien pada kurva kenaikan suhu, atau saat terjadinya percikan api pada spesimen, dinamakan titik bakar atau titik ignition, dan suhu pada saat itu dinamakan suhu bakar atau suhu ignition.
Gambar2: Strukturmikro as-castpaduanMagnesium(a) Mg, (b) Mg-I%Ca (c) Mg-3%AI(d)Mg3%AI-I%Ca, (e) Mg-3%Zn, (f) Mg3%Zn-I%Ca
Gambar1: Gambarskematiktungkuelektrik untuk mengukursuhubakar
Mikrostrukturas-castspesimendiamatidengan mikroskop optik, clan untuk menganalisaoksidasi yang terjadi pada spesimenyang dileburkanpada suhu 923K selama 30 menit, digunakan Auger Electron Spectroscopydenganmengukurspektor elektron Auger pada permukaan spesimenclan depth profiling unsur-unsurdari permukaanke bagian dalam spesimen dengan ion sputtering, serta pengamatandengan Secondary Electron Microscope. HASIL DAN PEMBAHASAN
Mg1,AI12secaramassive,karenapada barnsbutir ini AI terkonsentrasi sangat tinggi. Dengan menambahkan1%Ca kedalam paduanMg-3%AI ini, baik AI maupunCa akan terkonsentrasikan pada daerah sekitar batas butir, sehingga membentuk struktur seperti pada gambar 2(d). Sedangkanpada mikrostrukturpaduan Mg-3%Zn (gambar2(e», Zn tidak terkonsentrasipada suatu bagian, tetapi terdistribusi secara merata pada matriksa clansenyawaMg,Zn3.Kemudiandengan menambahkan1%Ca ke dalam paduan ini, akan terlihat mikrostruktursepertigambar2(f), dimana Ca terkonsentrasikanpada daerah sekitar batas
butir.
Struktur mikro paduan magnesium Pada gambar 2, diperlihatkan struktur mikro as-cast paduan magnesium. Pada struktur mikro spesimen dan magnesium yang tidak ditambahkan apa-apa (gambar 2(a)), terlihat butir kristal yang besar, tetapi dengan penambahan 1%Ca (gambar 2(b)), pacta batas butir matriks a terlihat bagian yang berwana gelap, yang merupakan rasa eutektik a clan Mg2Ca[3]. Diamati juga bahwa dengan semakin banyaknya kadar Ca dalam magnesium,
Pengaruh penambahan tunggal daD gabungan unsur Ca, AI daD Zn pads suhu ignition Mg Pada gambar 3 diperlihatkan basil pengukuran suhu ignition paduan magnesium, yang dipadukan dengan penambahan tunggal unsur-unsur Ca, AI dan Zn, serta penambahangabungan unsur AI-Ca dan Zn-Ca. Spesimen dari magnesium yang tidak ditambahkan unsur apa-apa ke dalamnya, terbakar pada suhu 925K, yaitu sesaat setelah mencapai titik lebumya (923K). Bila ke dalam magnesium
91
Pros;d;n2 Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; 1997
ditambahkan unsur AI sebanyak 3% clan 6%, suhu ignitionnya hampir tidak berbeda dengan suhu ignition magnesium mumi. Sedangkan dengan penambahan 3% clan 6% In, suhu ignition magnesium menjadi 1ebih rendah. Tempi, bila ke dalam Mg-3%AI clan Mg-3%Zn, ditambahkan I %Ca, suhu ignitionnya naik, yaitu pada paduan Mg-3%AI-I%Ca kenaikannya sekitar 140K, dan pada paduan Mg-3%Zn-1 %Ca kenaikannya sekitar lOOK, sarna dengan penambahantunggall%Ca ke dalarn magnesium. Jadi penambahan unsur Ca ke dalam magnesium atau paduan Mg-AI clanMg-Zn, dapat meningkatkan suhu ignition paduan daD membuat paduan menjadi tahan bakar.
ISSN 1410 -2897
terbentuk pada permukaan spesimen tidak begitu jelas, tetapi dari permukaannya yang tidak rata
diduga bahwa senyawa yang terbentuk tidak terdistribusi merata komposisi dasamya.
tetapi
berubah
menurut
Gambar 3: Pengaruh penambahan unsur Ca, AI daD Zn pada suhu bakar magnesium.
Hal ini, hila dihubungkan dengan hasil pengamatan struktur mikro paduan magnesium yang telah dibahas di atas, diduga bahwa kenaikan subu ignition paduan Mg-3%AI-1 %Ca sebesar 140K adalah karena konsentrasi unsur AI clan Ca yang tinggi pada daerah sekitar batas butir Sedangkan pada paduan Mg-3%Zn-l%Ca, kenaikan suhu ignitionnya yang hampir sarna dengan paduan Mg-l%Ca yaitu sebesar lOOK, diduga karena di daerah sekitar batas butir hanya unsur Ca yang berkonsentrasi tinggi. Lebih lanjut kelakuan unsur-unsur ini dalam paduan, akan dibahas daTi hasil analisa AES berikut. Hasil analisa AES paduan magnesium Pennukaan spesimen dari paduan Mg-3%AII%Ca clan Mg-3%Zn-l%Ca, yang dilebur pada suhu 923K selama 30 menit diamati dengan Secondary Electron Microscope clan ditunjukkan pada gambar 4. Dari gambar-gambar ini,
Gambar4. SEM foto paduanmagnesiumyamg dilebur pada suhu 923K selama 30 menit. (a) paduanMg-I%Ca. (b) paduan Mg-3%AIl%Ca. (c)paduanMg-3%Zn-l%Ca Spektrum auger elektron dari spesimenspesimen ini, ditunjukkan pada gambar 5. Pada permukaan ketiga spesimen ini dideteksi auger elektron Ca, a clanMg, dengan intensitas Mg yang kecil, tetapi intensitas Ca clan a yang besar. lni menunjukkan bahwa pada permukaan ketiga spesimen yang telah dilebur ini, terbentuk lapisan oksida kalsium. Selanjutnya untuk melihat depth profiling ketiga spesimen ini, dilakukan ion sputtering dari permukaan ke arah dalam spesimen. Pada gambar 6(a) ditunjukkan hubungan waktu sputtering, atau profil permukaan ke arah dalam spesimen, dengan
hubungan unsur-unsur' dengan senyawa yang 92
Pros;d;nl!PertemuanIlm;ah Sa;nsMater; /997
/SSN/4/0 -2897
intensitasauger elektron dari paduanMg-l %Ca, dan pada gambar 6(b) ditunjukkan hubungan dengan konsentrasirelatifnya. Pada permukaan spesimen,intensitas Ca sangat tinggi, tetapi semakin ke arab dalam spesimen,intensitasnya semakin menurun, dan pada sekitar 100 menit sputtering, intensitasMg menjadi paling tinggi, hal ini menunjukkanbahwalapisanoksidakalsium sudahditembusdan masukke bagianmatriks.
terbentuk lapisan kalsium oksida, CaO, tetapi tebal lapisan ini tidak dapat diukur, karena pada waktu pengukuran depth profiling, kecepatan ion sputtering, sebesar IOONmin yang digunakan, adalah merupakan kecepatan ion sputtering untuk spesimen Sial, jadi bergantung pada lunak atau kerasnya spesimenyang diukur.
Gambar 6: Depth profiling paduan Mg-l%Ca yang dileburpadasuhu923K selama30menit.
Gambar 5. Spektrum auger elektron daTi permukaan spesimenyang dilebur pada suhu 923K selama30 menit. (a) Mg-l%Ca. (b) Mg3%AI-l%Ca. (3) Mg-3%Zn-lO/oCa.
Kemudian dari hubungannyadengankonsentrasi relatif, konsentrasiCa di permukaantinggi, tetapi menurun bersamaan dengan arab kedalantan spesimen. Jadi dapat disimpulkan bahwa pada paduan Mg-l %Ca yang telah dilebur pada suhu 923K selama 30 menit ini, dipermukaannya
Berikutnya, pada gambar 7 dan 8, ditunjukkan depth profiling paduan Mg-3%AI-l %Ca dan Mg~ 3%Zn-l %Ca. Dari hubungan waktu sputtering dengan intensitas (gambar 7), terlihat bahwa dipermukaan masing-masing paduan, intensitas Ca paling tinggi, tetapi ke arab dalam spesimen intensitas Ca menurun, dan daTi hubungan waktu sputtering dengan konscntrasi relatif (gambar 8), dapat diketahui bahwa Ca berkonsentrasi tinggi di kedua permukaan spesimen. Sementara itu, pada gambar 8(a)~ terlihat juga bahwa konsentrasi Al di permukaan spesimen, hampir sarna dengan Ca, tetapi pada gambar 8(b), konsentrasi Zn rendah. Bila dibandingkan depth profiling paduan Mg3%Zn-l%Ca ini, dengan paduan Mg-l%Ca, terli!1at bahwa kelakuan oksidasi unsur Ca didalam kedua paduan hampir mirip, dan terlihat juga bahwa Zn tidak ambil bagian dalam oksidasi pada peleburan paduan magnesium ini. Sedangkan pada
()~
Prosidin~ Pertemuan llmiah Sains Materi 1997
/SSN /410 -2897
paduan Mg-3%AI-I%Ca, unsur AI terlihat ikut berperandalam peristiwa oksidasi ini.
bahwa Zn tidak ambil bagian dalam oksidasi pacta peleburan paduan magnesium ini. Sedangkan pada paduan Mg- 3%AI-l %Ca, unsur Al terlihat ik\lt berperan dalam peristiwa oksidasi ini. (a)
(b)
Gambar7: Hubunganintensitaselektron auger dengan Garnbar8: Hubungankonsentrasirelatif denganwaktu waktu sputtering pada paduan magnesium sputteringpada paduan magnesiumyang yang dilebur pada suhu 923K dilebur pada suhu 923K selarna30menit. selama30menit.(a) Mg-3%AI-l%Ca.(b) Mg(a)Mg-3%AI-l%Ca. (b)Mg-3%Zn-l%Ca 3%Zn-l%Ca
Berikutnya,padagambar7 daD8, ditunjukkan depth profiling paduanMg-3%AI-I %Ca dan Mg3%Zn-1%Ca. Dari hubungan waktu sputtering dengan intensitas (garnbar 7), terlihat bahwa dipermukaanmasing-masingpaduan,intensitasCa paling tinggi, tetapi ke arah dalam spesimen intensitasCa menurul1,daD dari hubungatlwaktu sputteringdengan konsentrasirelatif (gambar8), dapatdiketahuibahwaCa berkonsentrasi tinggi di kedua permukaanspesimen.Sementaraitu, pada gambar8(a), terlihatjuga bahwakonsentrasiAl di permukaatl spesimen,hampir sarna dengatl Ca, tetapi pada gambar 8(b), konsentrasiZn rendah. Bila dibandingkan depth profiling paduan Mg3%Zn-1%Ca ini, dengan paduan Mg-I %Ca, terlihatbahwa kelakuanoksidasiunsurCa didalam kedua paduan harnpir mirip, daD terlihat juga
Jadi dari analisa AES diatas disimpulkan bahwa,pada permukaanpaduanmagnesiumyang ditambahkandenganunsur gabunganAI-Ca atau Zn-Ca, terbentuklapisan kalsium oksida, setelah paduandilebur pada suhu923K selama30 menit. Tetapi pada pembentukan lapisan oksida ini, terdapat perbedaan kelakuan oksidasi unsurunsumya, yaitu pada paduan Mg-3%Al-l%Ca, yang mempengaruhipembentukanoksida adalah unsur Ca dan AI, tetapi pada paduanMg-3%Zn1%Ca, yang berperan dalam pembentukannya adalahunsurCa saja. Pembentukan lapisan kalsium oksida ini, melindungi magnesiumdari kontak denganudara dan meningkatkan suhu ignition paduan magnesium,sehinggadapat dihubungkanbahwa kenaikan suhu ignition paduan Mg-3%Al-l %Ca yang lebih tinggi daripada paduan Mg-3%Zn-
94
Pros;d;nf! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; 1997
I%Ca yaitu sebesar 140K adalah karena adanya penambahanbersama unsur Ca danAI. Bila dilihat dari mikrostruktumya hal ini diduga karena pada batas butir, unsur Al dan Ca berkonsentrasitinggi. Sehingga pada waktu peleburan paduan, unsur Ca, yang standar oksidasi energi bebasnya paling rendah[7), akan teraktifitasi lebih dulu terutama dimulai dari bagian batas butir yang titik lebumya lebih rendah dari pada matriks, dan akan beroksidasi membentuk lapisan yang diperkuat oleh keberadaan unsur AI. Sedangkan kenaikan suhu ignition paduan Mg3%Zn-1 %Ca yang hampir sarna dengan paduan Mg -1 %Ca, yaitu sebesar lOOK, adalah karena penambahan unsur Ca. Hal ini juga dapat dijelaskan dari mikrostruktur paduan, yaitu bahwa Zn terdistribusi merata di dalam paduan, sedangkan unsur Ca terkonsentrasikan pada batas butir, sehingga pada peleburannya, Ca akan teroksidasi lebih dulu membentuk lapisan oksida. Jadi dapat dimengerti bahwa kenaikan suhu maupun kelakuan oksidasi unsur Ca di dalam paduan Mg-3%Zn-l%Ca dan paduan Mg-I%Ca, tidak jauh berbeda.
KESIMPULAN Penambahan unsur Ca ke dalam paduan magnesium meningkatkan suhu ignition paduan sebesar lOOK clan membuat paduan menjadi tahan bakar. Tetapi penambahan tunggal unsur Al atau Zn, tidak meningkatkan subu ignition magnesium. Sedangkan penambahan bersama un sur AI-Ca meningkatkan subu ignition paduan Mg3%AI-I%Ca sebesar-140K, clan penambahan bersama unsur Zn-Ca pada paduan Mg-3%ZnI %Ca meningkatkan subu ignition sebesar -lOOK.
ISSN 1410 -2897
Pembentukan lapisan ini melindungi magnesiumdari kontakdenganudara.
3
Keberadaan bersarna unsur AI-Ca rnernpengaruhipernbentukanlapisan oksida pada paduanMg-3%AI-l%Ca. Tetapi pada paduan Mg-3%Zn-l%Ca, pernbentukan lapisan ini hanya dipengaruhioleh unsur Ca saja,sarnadenganpernbentukanpadapaduan Mg-I %Ca.
UCAP AN TERIMA KASIH
Ucapanterima kasihdisampaikankepadaProf. Michihiro Tagami, Laboratorium Teknologi Pengolahan Logam, Departemen Material Engineering,Universitas Akita di Jepang, atas bimbingannyaselamapenelitianini.
DAFTARPUSTAKA [I] HOSOMI, Y. Tendencyof Developmentand Technology of Light Metal Materials. Arutopia,5(1993),18-25. [2] FUJIYOSHI, M. Magnesiumand It's Alloys. New Metal Material,Nikkan Kogyo Shinbun. (1986),24-28 [3] TAKAHASHI, T; KAMIO, A. Magnesium Alloys. Casting Solidification, Nippon Kinzoku Gakkai,(1994),238-245 [4] AKIYAMA, S.Flame-ResistantMagnesium Alloys by Calcium. Imono, 66(1), (1994),3842. [5] SH1MIZU,M; TAKEUCHI, M. Effect ofCa Addition on the Microstructures and Properties of Mg and Mg-Li alloys. Imono,
63(1991)3:245-249.
[6] MASSALSKI, T.B; OKAMOTO, H. Handbookad Binary Alloy Phase Diagrams. ASM Publication,(1990). 0; EVANS, E; 2. Pada permukaan paduan magnesiumyang {7] KUBASCHEWSKI, ALCOCK, C.B. Table E.Standard Gibbs ditambahkan dengan unsur tunggal Ca clan Energy of Reaction.,Kabusiki SangyoTosho, unsur gabunganAI-Ca clanZn-Ca, terbentuk lapisan oksida kalsium, setelah spesimen (1965),378-384 dileburkanpada suhu923K selama30 menit.
95
