Pembentukan Komposit Matriks Al-4%Cu Berpenguat 15% Vf dan 20% Vf Al 2 O 3 Melalui Proses Thixoforming dengan Penambahan 4%Wt Mg

Pembentukan Komposit Matriks Al-4%Cu Berpenguat 15% Vf dan 20% Vf Al2O3 Melalui Proses Thixoforming dengan Penambahan 4%Wt Mg Aris Hadyo Wicaksono, Anne Zulfia Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Depok, 16424, Indonesia Email: [email protected]

Abstrak Komposit Al-4Cu-4Mg berpenguat Al2O3 secara teoritis berpotensi untuk memiliki sifat mekanik yang baik dengan massa yang ringan. Pada penelitian ini, presentase volume fraksi alumina sebesar 15% dan 20% dipakai dalam fabrikasi untuk mengetahui efek penambahan Al2O3 dalam jumlah besar pada kekerasan dan ketahanan aus komposit. Proses thixoforming pun dilakukan untuk melihat sejauh mana peningkatan kekerasan dan ketahanan aus yang terjadi berikut perubahan struktur mikro dibandingkan dengan produk as-cast. Penambahan partikel alumina pada komposit as-cast meningkatkan nilai kekerasan dan ketahanan aus sebesar 7% dan 25%. Komposisi berpenguat alumina 15% dan 20% hasil thixoforming juga mengalami peningkatan kekerasan sebesar 23% dan 6,99% dibanding produk as-cast. Hasil pengamatan menunjukkan produk as-cast memiliki struktur mikro berbentuk dendritik yang menurunkan sifat mekanis. Namun, bentuk struktur mikro dendritik dapat dikurangi dengan memaksanya berubah menjadi lebih globular dengan penambahan proses thixoforming saat fabrikasi komposit yang dapat meningkatkan sifat kekerasan dan ketahanan aus komposit. Fabrication of Al-4Cu Metal Matrix Composite reinforced with 15% and 20% Vf Al2O3 Particles by Thixoforming Process with the Addition of 4 wt% Mg Abstract Al-4Cu-4Mg composite reinforced by Al2O3 particle has an ability to exposed its better mechanical properties with lighter weight. In this study, 15% and 20% volume fraction of Al2O3 are chosen to be used in fabrication to understand the correlation between the addition of volume fraction of Al2O3 and mechanical properties of composite: hardness and wear resistant. Thixoforming process is also performed to the composite to observe the increament in hardness value, wear resistant value and also the change in microstructure compared to ascast product. The result shows that addition of volume fraction of Al2O3 increases the hardness and wear resistant by 7% and 25% in as-cast product. Thixoformed composite also have a great increament in hardness value by 23% and 6,99% compared to as-cast product. From the microstructural aspect, as-cast product has a full dendritic microstructure that has poor effect in mechanical properties. However, dendritic microstructure can be reduced by forcing them to evolute into globular micostructure with the addition of thixoforming process that can increase hardness and wear resistant. Keywords: Aluminum, Composite, Al2O3, Thixoforming, Microstructure, Hardness, Wear Resistant.

Pembentukan komposit..., Aris Hadyo Wicaksono, FT UI, 2014

1.

Pendahuluan Kebutuhan akan kendaraan transportasi termasuk kebutuhan yang meningkat karena

jumlah produksi dan penjualan kendaraan bermotor setiap tahunnya meningkat. Otomatis, konsumsi bahan bakar pun menjadi naik. OPEC mencatat bahwa pada tahun 2035 jumlah produksi minyak bumi tidak akan mencukupi jumlah konsumsinya[1]. Solusi teknologi perlu diambil guna mengantisipasi hal tersebut. Teknologi kendaran ringan adalah jawaban sekaligus solusi tersebut. Teknologi komposit mampu membuat material ringan, baik logam maupun polimer, menjadi jauh lebih meningkat sifat mekanisnya akibat dari penambahan partikel penguatnya[2]. Dari segi aspek sifat mekanis, komposit matriks logam memiliki ketangguhan yang baik, kekerasan yang baik, sensitivitas yang rendah terhadap perubahan temperaturdan kekuatan spesifik yang tinggi yang masih belum dapat ditandingi material polimer, sehingga logam terutama aluminium dipilih untuk menjadi matriks komposit[3]. Dengan menambahkan partikel penguat, kekerasan aluminium dapat meningkat dengan signifikan. Apalagi, kombinasi fabrikasi komposit matriks aluminium dengan proses lanjutan berupa thixoforming telah terbukti mampu meningkatkan sifat mekanis aluminium[4]. Aspek fabrikasi sangat menentukan performan produk. Aspek tersebut meliputi parameter proses pembuatan, jenis partikel penguat, dan komposisi partikel penguat yang digunakan. Oleh sebab itu, pada penelitian kali ini akan dibentuk komposit aluminium dengan matriks Al-4Cu berpenguat Al2O3 dengan fraksi volume sebesar 15% dan 20% secara thixoforming dengan penambahan 4%Mg sebagai penelitian lanjutan dari penelitian Yusuf Afandi et al[4] guna melihat seberapa signifikan penambahan fraksi volume Al2O3 tersebut dengan pemrosesan secara thixoforming pada peningkatan sifat mekanis komposit.

2.

Dasar Teori

2.1 Komposit Matriks Logam Komposit adalah perpaduan antara dua atau lebih material berbeda, yang berperan sebagai matriks dan penguat, yang disusun menjadi satu tanpa merubah sifat kimianya[5]. Pada dunia otomotif, komposit berpenguat jenis partikel lebih banyak dipilih karena menawarkan sifat mekanik yang cenderung isotropik daripada penguat jenis serat sekaligus mampu berperan juga sebagai penghalus butir yang mana dapat meningkatkan sifat mekanis juga[6-8].


Akan tetapi, penguat jenis partikel juga memiliki beberapa hal yang perlu dijadikan sebuah konsiderasi yaitu antarmuka dan porositas. Antarmuka yang buruk sama halnya merubah partikel penguat menjadi cacat inklusi[9]. Sementara itu, penambahan partikel penguat pada komposit matriks logam menambah peluang terbentuknya porositas karena interaksi antara partikel-partikel penguat yang teraglomerisasi menghasilkan rongga-rongga kosong yang terisi oleh udara[10]. 2.2 Komposit Matriks Aluminium berpenguat Al2O3 Pemilihan aluminium menjadi matriks komposit adalah untuk membuat material modifikasi yang memiliki keunggulan-keunggulan aluminium berupa kemampubentukan bagus, ringan, dan ulet. Tujuan jangka panjang dari pembuatan komposit matriks aluminium adalah untuk menggantikan peran komponen-komponen dari bahan lama pada industri otomotif. Partikel penguat Al2O3 dipilih untuk mewujudkan tujuan tersebut karena alumina termasuk keramik yang mampu memperkuat logam berkekuatan mekanis rendah dengan sifat internal yang dimilikinya[11-12]: Tabel 1. Sifat Fisik dan Mekanis dari Alumina

Sifat

Unit

Nilai

Densitas

g/cm3

3,96

Kekuatan Tarik

MPa

220

Modulus Elastisitas

GPa

375-380

Kekerasan

HV

2000

Meski demikian, porositas tetap menjadi kendala karena jumlah pori dalam komposit bisa meningkat seiring penambahan fraksi volume alumina dan mengakibatkan penurunan sifat mekanis seperti kekerasan dan ketahanan aus[13-15]. 2.3 Interaksi Matriks Dengan Penguat Ikatan kimia yang terbentuk pada daerah antarmuka sangat bergantung pada magnesium dalam matriks. Berikut adalah reaksi pembentukan senyawa antarmukanya: 3Mg(l) + 4Al2O3(s) 3MgAl2O4(s) + 2Al(l)

(2.2)

3Mg(l) + Al2O3(s) 3MgO(s) + 2Al(l)

(2.3)

Hasil produk berupa MgAl2O4 atau MgO ditentukan oleh kadar magnesium yang ada di matriks. Jika magnesium pada paduan aluminium terdapat 0,04wt% - 1,7wt% maksimal, produk utama yang terbentuk adalah MgAl2O4[16-17].


2.4 Proses Pembentukan Semi Padat Thixoforming Pembentukan semi padat merupakan proses pembentukan logam dalam keadaan semi padat (seperti lumpur). Proses yang mulai dikembangkan sejak 1970 dirancang untuk memperbaiki kelemahan-kelemahan yang dimiliki material logam as-cast terutama aluminium. Perbaikan-perbaikan yang ditawarkan pada hasil akhir proses thixoforming berupa sedikitnya porositas produk, sifat mekanis tinggi pada produk, dan memperpanjang umur pakai cetakan. Sifat mekanis yang dapat ditingkatkan meliputi kekuatan tarik, kekerasan, dan ketahanan aus. Selain keunggulan tersebut, keunggulan lainnya dalam proses ini adalah tahapannya yang meliputi pembuatan billet khusus, pemanasan ulang, dan pembentukan dengan memberikan tekanan sehingga mampu merubah struktur dendritik menjadi struktur globular pada struktur mikro aluminium dan mengurangi porositas[18-19]. Pembuatan billet dilakukan dengan metode pengecoran aduk guna menghasilkan bentuk butir yang tidak sepenuhnya dendritik. Pemanasan ulang dilakukan pada billet hingga mencapai temperatur semi solid tertentu dan dengan lama waktu tertentu. Temperatur semi padat dan lamanya waktu pemanasan akan mempengaruhi besar ukuran butir yang dihasilkan sesuai persamaan berikut[20]: d3=d03+ Kt

(2.4)

dengan d0 adalah rata-rata ukuran butir pada t=0 (sebelum dipanaskan), d adalah rata-rata ukuran butir setelah dipanaskan selama waktu t, dan K ialah laju pengasaran butir. Tahap terakhir ialah pembentukan dengan cara memberi tekanan. Pengaplikasian tekanan pada saat proses solidifikasi bertujuan untuk mengurangi pori akibat gas dan penyusutan. Namun, penambahan tekanan dapat menimbulkan retakan pada alumina dan merusaknya21. Retakan yang muncul tersebut menjadi sumber retak dan tempat perambatan retak yang berpotensi menurunkan sifat mekanis komposit. 2.5 Ketahanan Aus Komposit Matriks Aluminium Hasil Thixoforming

Gambar 1 Laju aus pada komposit A356/Al2O3 (a) hasil pengecoran aduk biasa (b) hasil pembentukan semi padat


Ketahanan aus sebenarnya memiliki korelasi dengan kekerasan. Seperti yang diketahui, proses thixoforming mampu meningkatkan sifat mekanis termasuk kekerasan. Dengan demikian, komposit aluminium hasil pembentukan thixoforming juga mengalami peningkatan kekerasan diiringi peningkatan ketahanan aus juga seperti pada grafik berikut ini[22].

3.

Metodologi Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan melebur ulang bahan baku master alloy Al-4Cu pada

suhu 8500C yang kemudian dicampur dengan blok magnesium dan serbuk alumina ukuran mikro dengan variasi fraksi volume 15% dan 20%. Campuran tersebut diaduk dan dituang pada cetakan berbentuk pipa berdiameter 4,8 cm dengan tinggi 7 cm sebagai billet. Komposisi kimia paduan Al-4Cu yang digunakan adalah sebagai berikut: Tabel 2. Komposisi Matriks Paduan Al-4Cu (%)

Al

Cu 95,54

4,188

Fe

Si

Ni

Zn

Sn

Ti

V

0,165 0,05 0,008 0,029 0,002 0,005 0,02

Billet kemudian dipotong menjadi dua bagian. Satu bagian akan dikenai proses thixoforming untuk membuat sampel thixo, sementara satu bagian yang lain tidak dikenai proses lanjutan apapun sebagai sampel as-cast. Proses thixoforming diawali dengan pemanasan ulang billet sampai suhu 6400C. Pemanasan pada suhu tersebut ditahan selama satu jam di dalam dapur induksi. Setelah satu jam, billet yang telah berada pada fase semi padat dikeluarkan untuk ditekan dengan tekanan 39 MPa atau setara dengan 25 Ton. Proses ini berlaku untuk seluruh variasi komposit, baik yang berpenguat 15% maupun 20% alumina. Kedua jenis sampel, yaitu sampel as-cast dan sampel thixo, dikenai beragam pengujian untuk melihat karakteristiknya. Pengujian yang dilakukan antara lain pengujian densitasporositas berdasarkan prinsip Archimedes, pengujian komposisi kimia dengan Optical Emission Spectroscopy (OES), pengujian kekerasan jenis Rockwell, pengujian keausan dengan metode ogoshi dan pengujian komposisi kimia secara EDX. Pengamatan struktur mikro (Metalografi) juga dilakukan pada kedua jenis sampel, baik as-cast dan thixo, dengan menggunakan mikroskop optik dan Scanning Electron Microscopy (SEM). Untuk preparasinya, sampel metalografi tersebut dipotong hingga berpenampang 1


cm x 1 cm dan kemudian dicetak di dalam resin (mounting). Selanjutnya, sampel metalografi tersebut diamplas mulai dari grit 80, 120, 200, 500, 800, hingga 1000 secara berurutan dan terakhir dipoles dengan titanium oksida. Kemudian, sampel tersebut dietsa dengan reagen keller selama 20 detik untuk memunculkan batas butirnya sehingga siap diamati baik dengan mikroskop optik maupun SEM. 4.

Hasil Penelitian

4.1 Pengujian OES Berikut adalah hasil pengujian komposisi kimia dengan menggunakan alat OES pada komposit Al-4Cu/Al2O3. Tabel 3 Hasil uji komposisi kimia pada komposit Al-4Cu-4Mg/Al2O3

Unsur Presentase (%) Al

Balance

Cu

7,68

Mg

5,92

Fe

0,74

Si

0,24

Ni

0,8

Zn

0,18

Sn

0,12

Ti

0,014

V

0,02

4.2 Pengujian Porositas Berikut adalah grafik yang menunjukkan hasil pengujian porositas pada komposit Al4Cu/Al2O3 as-cast dan thizo dengan prinsip archimedes.

a


b Gambar 2 Presentase porositas pada (a) Komposit Al-4Cu/Al2O3 hasil cor dan hasil thixo dengan penguat 15% dan 20% alumina dari hasil pengujian densitas Archimedes, (b) Komposit Al-4Cu/Al2O3 hasil thixoforming dengan penguat 15% dan 20% melalui pendekatan piranti lunak ImageJ.

4.3 Pengujian Kekerasan dan Keausan Berikut adalah gambar yang menunjukkan hasil pengujian kekerasan pada komposit Al4Cu/Al2O3 dengan metode Rockwell B (HRB) dan hasil pengujian keausan metode ogoshi.

a

b

Gambar 1 (a) Nilai Kekerasan Rockwell B pada sampel Komposit Al-4Cu berpenguat 15% dan 20% Al2O3pada kondisi As-Cast dan Hasil Thixoforming.(b) Nilai Laju Keausan Komposit Al-4Cu berpenguat 15% dan 20% Al2O3dalam kondisi As-Cast dan Thixo


4.4 Rasio L/B Butir Komposit Berikut adalah hasil rasio panjang dibagi diameter butir pada komposit hasil thixoforming yang menunjukkan derajat keglobularan atau kekolumnaran butir pada komposit.

Gambar Error! No text of specified style in document. Rasio L/B pada butir dalam komposit aluminium berpenguat 15% dan 20% berikut dengan presentasenya

4.5 Pengamatan Struktur Mikro dengan Mikroskop Optik Berikut adalah tampilan gambar-gambar yang merupakan hasil pengamatan dengan menggunakan Mikroskop Optik pada komposit sampel as-cast dan thixo.

a

d


b

e

c

f

Gambar 2 Gambar mikrostruktur komposit aluminium dalam kondisi (a) hasil coran berpenguat 15% Al2O3 dengan perbesaran 100X. (b) hasil coran berpenguat 20% Al2O3 dengan perbesaran 100X (c) hasil coran berpenguat 20% Al2O3 dengan perbesaran 200X (d) hasil thixoforming berpenguat 15% dengan perbesaran 100X (e) hasil thixoforming berpenguat 20% dengan perbesaran 100X (f) hasil thixoforming berpenguat 20% dengan perbesaran 200X

Dengan menggunakan bantuan software Image J dapat pula dilihat perbesaran porositas pada gambar hasil pengamatan struktur mikro. Berikut adalah tampilan struktur mikro komposit hasil thixoforming dengan pewarnaan dari imageJ yang jumlah pesentase porosnya dapat dilihat pada Gambar 2.b.

a

b


Gambar 6 peta persebaran porositas (warna merah) pada komposit Al-4Cu hasil thixoforming (a-b) berpenguat 15% Al2O3 200X dan 100X, (c-d) berpenguat 20% dengan perbesaran 200X, (e-f) berpenguat 20% perbesaran 100X

4.6 Pengamatan Struktur Mikro dengan SEM

c

d

Gambar 7 Struktur Mikro hasil pengamatan melalui SEM dengan perbesaran 200X pada kondisi (a) komposit 15% Al2O3 HasilThixoforming.(b) komposit 20% Al2O3 Hasil Thixoforming. (Perbesaran 200X) (c) partikel alumina yang retak akibat thixoforming pada komposit 20% Al2O3 (Perbesaran 1000X dalam lingkaran merah)

5.

Pembahasan

5.1 Pengujian Komposisi Kimia Berdasarkan Tabel 3, terdapat perbedaan jumlah kadar pada unsur-unsur yang terdeteksi. Hal ini mungkin disebabkan oleh banyaknya aluminium yang terbuang karena telah menjadi e

f


terak sehingga menambah presentase kandungan unsur-unsur yang ada di dalam komposit Al4Cu. 5.2 Pengujian Porositas Pada hasil pengujian porositas telah ditemukan bahwa presentase porositas pada sampel as-cast sangat tinggi. Baik komposit aluminium dengan 15% alumina maupun 20% alumina memiliki jumlah pori yang lebih banyak daripada komposit aluminium hasil thixoforming dengan kadar yang sama. Gambar 2.a menunjukkan kalau proses thixoforming mampu mengurangi jumlah porositas pada logam karena tekanan pembentukan yang ada saat proses fabrikasi. Selain itu, pada Gambar 2.a dan b terlihat juga bahwa makin banyak volume fraksi alumina, makin banyak pula porositas yang dihasilkan baik pada sampel as-cast maupun thixo. Jumlah porositas yang terbilang cukup banyak ini besar kemungkinan akan berimbas pada sifat mekanis komposit. 5.3 Pengujian Kekerasan dan Keausan Hasil pengujian kekerasan pada sampel komposit hasil pembentukan semi padat dan hasil pengecoran aduk ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar tersebut menunjukkan bahwa komposit hasil pembentukan semi padat memiliki kekerasan yang lebih tinggi daripada komposit hasil pengecoran aduk, baik itu variasi 15% maupun 20% fraksi volume alumina, dengan nilai kekerasan tertinggi sebesar 41,20 HRB pada sampel komposit hasil thixoforming berpenguat 15% fraksi volume alumina. Hanya saja, kekerasan komposit aluminium dengan 15% Vf Alumina yang dibentuk melalui pembentukan semi padat secara keseluruhan masih lebih keras daripada sampel thixo 20% Vf alumina. Pada sampel thixo kekerasan aluminium dengan 15% Vf alumina dapat mencapai 41,20 HRB (setara 90 HB) sementara aluminium dengan 20% Vf hanya mencapai 37,80 HRB (setara 80 HB). Tentunya hasil tersebut melawan ekspektasi semula yang menyatakan bahwa semakin banyak fraksi volume penguat dalam suatu komposit, semakin tinggi nilai kekerasannya. Salah satu penyebab yang memungkinkan terjadinya penurunan kekerasan adalah porositas. Karena dengan kehadiran poros, pembebanan tidak bisa dilakukan sebagaimana mestinya. Porositas menyebabkan beban indentor mampu menembus masuk ke kedalaman yang sangat dalam akibat dari rongga yang dimilikinya tidak bisa menahan beban indentor.

Hasil pengujian keausan juga menunjukkan hasil yang relevan dengan hasil uji kekerasan. Komposit hasil thixoforming memiliki laju aus yang relatif kecil dibandingkan


dengan komposit as-cast. Akan tetapi, hasil pengujian keausan menunjukkan penurunan laju aus pada sampel komposit aluminium yang dibentuk melalui pembentukan semi padat. Pada sampel berkomposisi 15% Vf alumina, laju aus mengalami penurunan menjadi 0,00033 mm3/kgf.m, dan laju aus pada sampel dengan 20% Vf Alumina pun turun menjadi 0,00069 mm3/kgf.m setelah mengalami proses thixoforming. Karena kekerasan sampel thixo lebih tinggi daripada sampel as-cast, otomatis laju aus sampel thixo pun lebih rendah. Laju aus yang rendah adalah simbol bahwa material tersebut memiliki ketahanan aus yang prima. Hanya saja, grafik menunjukkan bahwa ketahanan aus komposit berpenguat 15% Vf Al2O3 lebih tinggi dibandingkan komposit aluminium berpenguat 20% Vf Al2O3.grafik pada sampel thixo menunjukkan penurunan kekerasan dan ketahana aus seiring naiknya fraksi volume alumina. Penurunan sifat mekanis tersebut dapat disebabkan dengan adanya beberapa faktor seperti aglomerasi, porositas, dan rusaknya partikel alumina. Aglomerasi partikel penguat pada komposit menandakan partikel tidak terdistribusi dan terdispersi dengan merata. Hal tersebut dapat berimbas pada kurang optimalnya efek penghalusan butir pada komposit sehingga ukuran butir pun masih kasar. Itulah yang terjadi pada komposit hasil thixoforming berpenguat 20% alumina seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.e dan 5.f serta Gambar 7.b. Selain itu, jumlah porositas juga ikut berperan dalam penurunan nilai kekerasan tersebut14. Apalagi, aglomerasi partikel juga memicu munculnya rongga-rongga udara yang terperangkap dan membentuk pori10. Alhasil, makin banyak aglomerat semakin banyak pula porositasnya. Porositas komposit dapat terlihat secara kuantitatif pada Gambar 2 dan secara kualitatif pada Gambar 6. Jelas terlihat pada Gambar 6 area berwarna merah jauh lebih padat pada komposit berpenguat 20%, dengan kata lain porositasnya memang lebih banyak. Faktor berikutnya yang juga berperan dalam penurunan sifat mekanis ini adalah retak dan rusaknya partikel alumina pada komposit hasil thixoforming berpenguat 20% akibat pembebanan saat proses thixoforming21. Gambar 7.c menunjukkan dengan jelas kerusakan dan keretakan pada partikel alumina. Retak pada partikel alumina menimbulkan poros, celah, dan sekaligus sebagai tempat inisiasi maupun menjalarnya retak yang jelas menurunkan kekuatan mekanis komposit. Ketiga factor tersebut, aglomerasi, porositas dan kerusakan alumina inilah yang diduga kuat ikut andil dalam penurunan nilai kekerasan dan keausan komposit berpenguat 20% alumina dibandingkan dengan komposit berpenguat 15% alumina. 5.4 Pengamatan Mikrostruktur


Pengamatan struktur mikro komposit dilakukan untuk mengetahui perbedaan antara strukur mikro komposit as-cast dan komposit hasil thixoforming dan juga untuk melihat persebaran alumina di tiap variasi fraksi volume. Pengamatan mikrostruktur dapat diamati sesuai pada Gambar 5 dan 6 untuk pengamatan menggunakan mikroskop optik dan Gambar 7 untuk hasil pengamatan dengan SEM. Melalui pengamatan mikrostruktur, juga ingin dicari kaitannya terhadap nilai sifat mekanis pada subbab sebelumnya yaitu nilai kekerasan dan laju aus yang menunjukkan beberapa perbedaan dari literatur dan hipotesis. 5.4.1 Pengamatan Mikrostruktur Sampel as-cast Pada struktur mikro komposit hasil as-cast terdapat ciri khas yang dimiliki oleh hasil coran aluminium pada umumnya yaitu struktur dendritik pada butir-butirnya. Seperti yang terlihat pada Gambar 5 a dan b, struktur dendritik memenuhi seluruh bagian di matriks komposit. Meskipun sama-sama memiliki butir dendritik, terdapat perbedaan yang kentara yang membedakan antara struktur mikro komposit dengn 15% alumina dan komposit dengan 20% alumina. Pada komposit berpenguat 15% Al2O3 (Gambar 5.a) ukuran butir cenderung lebih besar daripada komposit berpenguat 20% Al2O3 (Gambar 5.b). Perbedaan ukuran butir tentu berimbas pada sifat mekaniknya. Sesuai teori, butir yang lebih halus akan berkontribusi pada peningkatan sifat mekanis material8. Oleh sebab itu pada Gambar 3, nilai kekerasan dan ketahanan yang lebih baik pada sampel as-cast dimiliki oleh komposit berpenguat 20% alumina. 5.4.2 Pengamatan Mikrostruktur Sampel Thixoforming Terlihat bahwa pada Gambar 5.a, b, c., yang menunjukkan sampel komposit as-cast, butir-butirnya berukuran besar dan mayoritas berbentuk dendritik diikuti oleh struktur kolumnar. Struktur dendritik yang menguasai struktur mikro komposit as-cast tidak dijumpai lagi di struktur mikro komposit hasil thixoforming seperti pada Gambar 5.d, e, f. Pada komposit hasil thixoforming, mayoritas struktur dendritik berubah menjadi berbentuk kekotak-kotakan dan bulat seperti kolumnar dan globular. Perubahan struktur butir inilah yang menyebabkan pada hasil pengujian kekerasan dan keausan, komposit hasil thixoforming lebih unggul dibandingkan komposit as-cast. Pada komposit hasil thixoforming, baik yang berpenguat 15% maupun 20% alumina, sama-sama memiliki bentuk butir yang globular dan kolumnar. Hanya saja, pada komposit berpenguat 15% alumina, terlihat ukuran butirnya lebih kecil dibandingkan dengan komposit berpenguat 20%. Berdasarkan pada Gambar 4 terlihat rasio L/B pada butir-butir dalam mikrostruktur berikut presentase dalam komposit. Semakin rasio L/B mendekati satu, semakin


globular butir-butir penyusunnya. Sementara itu, semakin besar rasio L/B semakin berbentuk kolom butir-butir penyusun komposit aluminium tersebut. Pada komposit berpenguat 20% alumina, terlihat bahwa rasio L/B >= 3 mencapai angka 20%. Sementara pada komposit berpenguat 15% hanya 3% saja yang rasionya >=3. Mayoritas butir pada komposit berpenguat 15%, rasio L/B nya berada diantara 1 dan 2. Hal tersebut menandakan bahwa pada komposit dengan 20% alumina, butir-butirnya cenderung columnar, sementara komposit berpenguat 15% alumina lebih ke arah globular. 5.4.3 Pengamatan Mikrostruktur Sampel Thixoforming dengan Menggunakan SEM Pada Gambar 7.a dan b, terlihat hasil pengamatan mikrostruktur menggunakan SEM. Pada gambar tersebut dapat ditunjukkan bahwa partikel alumina lebih banyak dan lebih padat di komposit berpenguat 20% hasil thixo. Namun, aglomerasi, porositas dan retak pada alumina juga banyak terdeteksi pada variasi komposit tersebut. Pendekatan secara mikrostruktural ini semakin menegaskan anomali berupa penurunan nilai kekerasan dan ketahanan aus yang terjadi pada komposit berpenguat 20% alumina. 6.

Kesimpulan a. Fabrikasi Komposit Al-4Cu dengan penguat 15% Vf dan 20% Vf alumina dapat dilakukan baik secara as-cast maupun thixoforming meskipun mengandung porositas. b. Penambahan fraksi volume alumina pada komposit Al-4Cu hasil as-cast dari 15% menjadi 20% mampu meningkatkan kekerasan sebesar 7% dan meningkatkan ketahanan aus hingga 25%. Sementara penambahan fraksi volume pada komposit hasil thixoforming tidak menambah kekerasan karena ukuran butir sampel Al-20T masih lebih besar daripada ukuran butir sampel Al-15T, dengan kata lain tidak mencapai ukuran yang semestinya. c. Proses thixoforming dapat meningkatkan kekerasan komposit aluminium pada kadar alumina yang sama. Pada komposit yang mengandung 15% Vf alumina, nilai kekerasan dan ketahanan aus meningkat sebesar 23% dan 78%. Hal yang sama juga dialami komposit yang mengandung 20% Vf alumina dengan nilai kekerasan dan ketahanan ausnya meningkat sebesar 6,99% dan 39,7%. d. Proses thixoforming juga dapat mengurangi struktur dendritik pada komposit aluminium dengan mengubah sebagian besar struktur dendritik tersebut menjadi struktur globular yang lebih kecil daripada butir dendritik.


7.

Referensi

[1] Organization

of

the

Petroleum

Exporting

Countries.2013.World

Oil

Outlook.OPEC Secretariat: Vienna.hlm 8 [2] Hashim, J., Looney, L., dan M.S.J. Hashmi.1999.Metal Matrix Composites Production by the Stir Casting Method.Journal of Material Processing Technology 92-93, 1-7. [3] Ramulu, M., Rao, P.N., dan H. Kao.2002.Drilling of (Al2O3) p6061 Metal Matrix Composites.Journal of Material Processing Technology 124, 244-254. [4] Afandi,Y.,

Zulfia,A.,

Priadi,D.,

dan

I.N.

Jujur.2013.Formation

and

Characterization of MMCs Alloy Al-5%Cu-4%Mg/SiC(p) by Thixoforming Process.Advanced Materials Research 789, 56-59. [5] ASM

Handbook

Volume

21.2002.Introduction

to

Composites.ASM

International:USA. [6] Mas’udah, Tatu. “Pengaruh Volume Percent SiC Coating TerhadapKarakterisasi Komposit Al/SiCp Produk Gravity Casting”. Tesis. ProgramPascasarjana Departemen Metalurgi dan Material Universitas Indonesia.Desember 2009. [7] Guo, H., Yang, X., 2007. Preparation of semi-solid slurry containing fine and globular particles for wrought aluminum alloy 2024. T. Nonferr. Metal. Soc. 17, 799–804. [8] Callister Jr,William D and David Rethwisch.2010.Materials Science and Engineering an Introduction 8th edition.Wiley:USA.hlm 21 [9] K. M. Mussert, M. Janssen, A. Bakker, S. van der Zwaag. “Modelling Fracture in an Al2O3 Particle Reinforced AA 6061 Alloy Using Weibull Statistics”. Journal of Materials Science 34 (1999) 4097 – 4104. [10] Madsen, Bo., Anders Thygesen, and Hans Lilholt. “Plant Fibre CompositePorosity and Volumetric Interaction.” Science Direct. Composite Science andTechnology 67 (pp. 1584-1600), 2006. [11] Kainer, Karl U.2006.Metal Matrix Composites.Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KgaA:Weinheim. hlm 55-56 [12] Davis, Karen.2010.Material Review: Alumina (Al2O3).School of Doctoral Studies (Europe Union) Journal.109-114


[13] Kok, M.2004.Production and Mechanical Properties of Al2O3 ParticleReinforced 2024 Aluminium Alloy Composite.Journal of Material Processing Technology 161, 381-387. [14] Moustofa

M.M

Mohammed,

Omayma

A.Elkady

&

Abdelhameed

Wazeer.2013.Effect of Alumina Particles Addition on Physico-Mechanical Properties of Al-Matrix Composite.Open Journal of Metal 3, 72-79 [15] Bindumadhavan, P.N, T.K. Chia, M. Chandrasekaran, Heng Keng Wah, Loh Nee Lam, O Prabhakar.2001.Effect of Particle-Porosity on Tribological Behavior of Cast Aluminium alloy A356-SiCp Metal Matrix Composite.Material Science and Engineering A315, 217-226. [16] Hideo Nakae, Shusen Wu. (1998) Éngulfment of Al2O3 particles during solidification

of

aluminum

matrix

composite.Materials

Science

and

Engineering A252. 232–238 [17] B.F.Schultz, J.B Ferguson, dan P.K Rohatgi.Microstructure and hardness of Al2O3 nanoparticle reinforced Al-Mg composites fabricated by reactive wetting and stir mixing.Journal of Material Science and Engineering A 530 (2011) 87-97. [18] Modigell, M dan J. Koke.1999.Time-Dependent Rheological Properties of SemiSolid Metal Alloys.Mechanics of Time-Dependant Materials 3, 15-30. [19] Kirkwood, D.H.1994.Semisolid Metal Processing.International Material Reviews Vol.39, 173-189. [20] Atkinson H.V dan D.Liu.2008.Microstructural and Coarsening of Semi-Solid Aluminium Alloys.Material Science and Engineering A 496, 439-446. [21] Ozedmir. I, Muecklich. S, Podlesak, H dan B.Wielage.2011.Thixoforming of AA 2017 Aluminium Alloy Composites.Journal of Materials Processing Technology 211, 1260-1267. [22] Alhawari,K.S,

Omar,M.Z,

Ghazali,M.J,

Salleh,M.S,

dan

Mohammed

M.N.2013.Wear Properties of A356/Al2O3 Metal Matrix Composites Produced by Semisolid Processing.Procedia Engineering 68, 186-192.


Pembentukan Komposit Matriks Al-4%Cu Berpenguat 15% Vf dan 20% Vf Al 2 O 3 Melalui Proses Thixoforming dengan Penambahan 4%Wt Mg

Recommend Documents