Pengaruh Penambahan Unsur Zn terhadap Karakteristik Balistik Komposit Matriks Al7Si6Mg berpenguat Silikon Karbida Dwi Rahmalina1,2, Bondan T.Sofyan1, Bambang Suharno1, Eddy S.Siradj1 1
Universitas Indonesia, Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Depok 16424, Indonesia 2 Universitas Jayabaya, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Depok 16416, Indonesia
Abstract SiC – reinforced aluminium composite - has been developed to improve the ballistic performance and mobility of the armour material. Critical to obtaining ballistic resistance is that the materials must be sufficiently hard and strong, especially at the surface where a projectile will first make impact. To obtain this resistance, aluminium alloys can be strengthened by adding Zn, and reinforced with silicon carbide. This research studied the ballistic properties of aluminium composites with varied Zn content. The matrix used in this study was an Al-7Si master alloy with 6 wt. % Mg and 1-9 wt. % Zn. A particulate silicon carbide was used as strengthening material, which added to the liquid matrix in the furnace. The samples were produced through the squeeze casting process with a pressure of 1 MPa at semi-solid melting temperatures of 590-610 0C. Ballistic testing was performed in accordance with ASTM F1233 by using 0.38 sp, 9 mm and 5.56 mm calibre projectile. Microstructural observation was conducted in the as-cast and ballistic samples, performed with optical microscope and scanning electron microscope (SEM). This research showed that the incease in Zn resulted in the improvement of hardness. The composites have good ballistic performance for a 0.38 sp calibre projectile and the composites with 1 and 5 wt. % Zn were able to withstand a 9 mm calibre projectile. Keywords : aluminium composite, silicon carbide, ballistic performance
Pendahuluan Material untuk aplikasi peralatan militer (armour) didesain untuk dapat menahan penetrasi dari peluru-peluru dan jenis proyektil balistik lain, dimana struktur metalurgi dari kebutuhan ini dirancang untuk dapat memecahkan atau memerangkap proyektil yang ditembakkan dengan kecepatan tinggi. Kondisi ini dapat dipenuhi oleh sifat ketangguhan yang baik terhadap beban impak balistik serta kekerasan yang sangat tinggi. Faktor lain yang harus dijadikan pertimbangan dalam pemilihan material armor adalah mobilitas terkait dengan ukuran dan berat dari peralatan tersebut. Baja telah lama digunakan untuk aplikasi armour karena kemudahan proses dan biaya produksi yang lebih murah serta mempunyai variasi sifat mekanis yang beragam. Tetapi, baja mempunyai berat jenis yang besar sehingga tidak sesuai untuk aplikasi armour dengan kebutuhan berat jenis ringan. Kondisi ini mendorong dilakukannya penelitian untuk memperoleh material armour dengan berat jenis yang lebih ringan dan kemampuan proteksi terhadap impak balistik yang baik [1]. Dengan sifat balistik yang
E-mail :
[email protected]
superior dan sifat kekakuan yang baik, material logam telah dikembangkan sebagai material armour, mulai dari baja armour, paduan aluminium armour dan paduan titanium armour [1,2]. Saat ini, paduan aluminium berkekuatan tinggi merupakan paduan logam armour yang sangat menjanjikan, tidak hanya ketahanan terhadap impak balistik tetapi juga terkait dengan berat jenisnya yang rendah. Walaupun demikian, informasi eksperimental dan komputasional masih sangat terbatas dan memerlukan pembahasan lebih lanjut. Pengembangan aluminium untuk aplikasi balistik telah banyak dilakukan, misalnya Al 5083-H116, 5059 dan 7075 yang dibuat dengan teknik cryomilling [2-4]. Juga telah dikembangkan metode pelapisan permukaan pada Al 2024 menggunakan Co-Mo-Cr [5]. Beberapa jenis laminat aluminium telah dipatenkan, misalnya lapisan aluminium dengan kekerasan HRC 27, dikombinasi dengan serat tekstil [6]. Lapisan aluminium berpenguat kawat baja dan keramik dipatenkan pada tahun 1974 [7]. Juga dipatenkan komposit laminat aluminium dan keramik Al2O3 [8]. Fokus penelitian ini adalah pengembangan komposit matriks aluminium untuk aplikasi material armour. Riset ini merupakan kelanjutan
dari riset sebelumnya yang telah berhasil membuat paduan aluminium cor dan laminat aluminium yang diperkuat kawat tali baja yang mampu menahan penetrasi peluru Tipe I berkaliber 0.38 mm [9]. Paduan aluminium dipilih karena merupakan salah satu material armour yang telah digunakan dengan sifat balistik yang baik dan berat jenisnya yang ringan. Disamping itu, aluminium merupakan logam yang telah diproduksi secara mandiri di Indonesia, sehingga pengembangannya akan memberdayakan industri dalam negeri. Untuk memperkuat aluminium, dilakukan pemaduan dengan Mg dan Zn [10]. Silikon karbida sebagai penguat diberikan dengan fraksi volum sebanyak 5 %. Pembuatan komposit dilakukan melalui proses squeeze casting dengan pengadukan untuk mengoptimalkan distribusi silikon karbida selama pembekuan dan mengurangi terjadinya cacat akibat penuangan.
baik antara partikel silikon karbida dan matriks, yang diindikasikan dengan tidak terdapatnya void didaerah antarmuka, seperti terlihat pada Gambar 1. Kondisi ini disebabkan karena kandungan Mg dan Si tinggi dapat menghasilkan sudut kontak relatif lebih kecil dibanding dengan paduan Al dengan kadar Mg dan Si rendah [13]. Unsur Si yang tinggi dapat meningkatkan fluiditas paduan sedangkan elemen pemadu Mg dapat mempengaruhi sudut kontak karena mampu meningkatkan driving forced pembasahan. Adanya kadar Mg yang tinggi dapat menurunkan sudut kontak karena magnesium merupakan logam yang sangat reaktif dan memiliki tegangan superfisial dan sudut kontak paling rendah di bandingkan Al dan SiC sehingga keberadaanya sangat penting pada saat proses infiltrasi Al dan SiC karena dapat mencegah terbentuknya interphase Al4C3 yang keras dan getas. Pengamatan EDS menunjukkan distribusi fasa disekitar partikel SiC, seperti terlihat pada Tabel 1.
Metodologi Matriks aluminium terbuat dari master alloy Al-7Si, dengan penambahan unsur 6 wt. % Mg dan variasi unsur paduan Zn (1, 5, 9 wt. %). Silikon karbida berbentuk partikulat berukuran 180 mesh digunakan sebagai unsur penguat komposit dengan fraksi volum sebanyak 5 %. Proses peleburan matriks paduan dilakukan dalam dapur lebur pada temperatur 850-870 0C dengan proses degassing menggunakan gas Ar. Penambahan SiC dilakukan dengan pengadukan sebesar 5000 rpm. Proses pegecoran yang digunakan untuk membuat komposit matriks paduan aluminium berpenguat silikon karbida ini adalah proses squeeze casting yang dilakukan pada temperatur semi solid (590 – 610 oC) dengan tekanan 1 MPa didalam cetakan logam. Cetakan dengan ukuran 170x170x15 mm sebelumnya telah dipanaskan terlebih dahulu sampai temperatur 300 0C. Struktur mikro pada daerah antar muka dan matriks komposit diamati dengan mikroskop optik dan Scanning Electrone Microscopy (SEM). Sifat mekanis dianalisis dengan melakukan pengujian kekerasan pada komposit. Pengujian balistik dilakukan sesuai standar ASTM F1233, dengan peluru kaliber 0.38 sp (tipe I), 9 mm (tipe II) dan 5.56 mm (tipe IIIA).
Hasil dan Pembahasan Karakteristik komposit sangat dipengaruhi oleh kandungan unsur paduannya. Penambahan unsur paduan Mg akan meningkatkan kekuatan dan sifat kemampubasahan (wettability) pada daerah antarmuka matriks dengan penguat [11,12]. Pengamatan SEM menunjukkan wettability yang
Gambar 1. Pengamatan SEM terhadap fasa intermetalik pada komposit dengan matriks Al-7Si2Mg-1Zn. Tabel 1. Hasil analisis mikro pada komposit matriks paduan Al-7Si-2Mg-1Zn, pada posisi sesuai Gambar 1.
1 2 3 4
Fasa yang mungkin terbentuk
Komposisi (% berat)
No C 5.3 3.3
Mg 0.5 -
Zn 4.87 2.17 -
0 2.3 2.27 4.2 1.97
Si 1.84 58.9 89.1 94.8
Al balance 36.6 1.00 -
Matriks Si Eutektik Si Eutektik & Matriks SiC
Peningkatan kadar Zn dari 1 % sampai dengan 9 % akan meningkatkan kekerasan dan kekuatan paduan aluminium[10]. Dalam keadaan solid, mampu larut Zn dalam aluminium terbesar dibanding unsur lainnya yaitu sebesar 82.8 wt %.
Unsur ini hanya memberikan sedikit efek solid solution strengthening atau work hardening 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[14].
kandungan Zn akan memperhalus dendrite [10]. Penambahan unsur Zn dari 1 % sampai 5 dan 9 % juga akan meningkatkan kekerasan komposit dengan matriks Al-7Si-6Mg, seperti ditampilkan pada Gambar 3. Kondisi ini disebabkan adanya mekanisme solid solution strengthening, dimana Zn terlarut sebagai atom tersubsitusi pada kisi atom aluminium.
52.80
Kekerasan (HRB)
55.00 49.75
50.00 45.00 40.00
39.38
35.00 30.00 25.00 1
5
9
% Zn
Gambar 3. Pengaruh kandungan Zn terhadap kekerasan komposit matriks Al-7Si-6Mg berpenguat 5 % SiC.
Gambar 2. Struktur mikro komposit matriks paduan Al-7Si-6Mg berpenguat 5 % SiC dengan perbesaran 500X dan variasi unsur paduan Zn : (a) 1 % Zn, (b) 5 % Zn, (c) 9 % Zn. M adalah matriks α-aluminium. SiC adalah partikel silikon karbida. Gambar 2 menunjukkan struktur mikro komposit matriks paduan Al-7Si-6Mg berpenguat 5 % SiC dengan variasi unsur paduan Zn. Terlihat bahwa struktur hasil proses pengecoran masih dendritik (kolumnar), dimana struktur semakin halus dengan meningkatnya kandungan Zn dari 1 % ke 5 % dan 9 %. Hal ini disebabkan peningkatan
Performa balistik komposit dikarakterisasikan dengan pendekatan besarnya daerah dari material target yang dibutuhkan untuk menahan tembakan dari tipe proyektil tertentu dengan kecepatan tembak yang spesifik. Pada pelat komposit dilakukan pengujian balistik secara bertahap dengan 3 (tiga) tipe peluru, yaitu tipe I : kaliber 0.38 sp, tipe II : kaliber 9 mm dan tipe IIIA : kaliber 5.56 mm. Kemudian pada hasil penembakan dilakukan pengamatan mikro dan makro untuk mengetahui besarnya daerah yang mengalami perforasi melalui pengukuran diameter jejak hasil penembakan. Gambar 4 menunjukkan daerah yang mengalami perforasi pada pelat komposit dengan matriks Al-7Si-6Mg dengan variasi 1, 5 dan 9 wt. % Zn berpenguat silikon karbida dengan fraksi volum 5 %. Seluruh komposit mempunyai ketahanan balistik yang baik terhadap peluru kaliber 0.38 sp. Terlihat pada gambar bahwa untuk kandungan Zn paling tinggi yaitu 9 % Zn, komposit hasil uji tembak mengalami retak pada uji balistik tipe II. Sedangkan untuk kadar Zn yang lebih rendah tidak terjadi retak pada arah penampang memanjang. Pada komposit hasil uji tipe IIIA, jejak peluru komposit tidak lagi berupa penampang bulat. Kondisi ini disebabkan kegetasan yang terjadi dengan meningkatnya kadar Zn sampai 9 %.
Gambar 4. Gambaran daerah terperforasi pada pelat komposit matriks Al-7Si-6Mg berpenguat 5 % fraksi volum SiC, dengan variasi unsur paduan Zn : 1, 5 dan 9 wt. % untuk berbagai tipe pengujian balistik : (a,d,g) Tipe I; (b,e,h) Tipe II; (c,f,i) Tipe IIIA.
kandungan Zn, diameter jejak peluru hasil uji tipe I mengalami penurunan, demikian pula dengan hasil uji balistik tipe II. Hal ini menunjukkan bahwa dengan meningkatnya kandungan Zn dari 1 sampai 5 %, ketahanan balistik semakin baik disebabkan adanya peningkatan kekerasan akibat penambahan kandungan unsur Zn. Sedangkan hasil uji balistik tipe IIIA pada komposit matriks Al7Si6Mg dengan variasi Zn 1, 5 dan 9 % menunjukkan bahwa terjadi peningkatan diameter peluru yang menembus pelat. Hal ini disebabkan karena semakin besar kadar Zn, bahan akan bersifat semakin getas sehingga ketangguhan terhadap perpatahan akan turun. Kondisi ini selanjutkan membutuhkan proses perlakuan panas pengerasan pengendapan sehingga Zn akan mengendap dalam bentuk MgZn2 dengan ketangguhan matriks yang lebih baik. Perubahan struktur mikro yang terjadi akibat deformasi hasil uji balistik tipe II pada komposit Al7Si6Mg1Zn berpenguat 5 % fraksi volum silikon karbida diperlihatkan pada Gambar 6. Terlihat secara jelas bahwa partikel silikon karbida dapat menahan deformasi yang terjadi pada butir. Partikel ikut tergeser akibat beban balistik tetapi komposit tidak mengalami retak dan matriks masih dapat menyerap beban balistik sehingga butir mengalami deformasi. Hal ini menunjukkan bahwa ketahanan balistik sangat tergantung dari ketangguhan dari matriks.
Diameter Jejak Peluru (mm)
25.00 19.36
18.26
20.00
15.85
15.00
14.90
12.59 10.57
10.00
6.84
6.95
5.80
5.00 -‐
0
2
4
6
8
10
% Zn Tipe I
Tipe II
Tipe IIIA
Gambar 5. Diameter jejak peluru pada pelat komposit matriks Al-7Si-6Mg berpenguat 5 % fraksi volum silikon karbida dengan variasi kandungan Zn : 1, 5 dan 9 % untuk berbagai tipe pengujian balistik. Pada hasil gambaran makro hasil uji balistik kemudian dilakukan pengukuran diameter jejak, dengan hasil seperti terlihat pada Gambar 5. Terlihat jelas bahwa dengan meningkatnya
Gambar 6. Perubahan struktur mikro sepanjang penampang tebal hasil uji balistik tipe II pada komposit matriks Al7Si6Mg1Zn berpenguat 5 % fraksi volum silikon karbida.
Kesimpulan Pada penelitian yang mengembangkan komposit matriks aluminium yang menggunakan penguat silikon karbida berbentuk partikulat, diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut. 1. Penambahan kandungan Zn dari 1 wt. % menjadi 9 wt. % meningkatkan kekerasan komposit matriks aluminum berpenguat silikon karbida. 2. Pelat komposit matriks aluminium berpenguat silikon karbida mempunyai ketahanan balistik yang baik untuk tipe I (peluru kaliber 0.38 sp). 3. Pelat komposit matriks aluminium berpenguat silikon karbida dengan kandungan Zn 1 dan 5 wt. % mempunyai mempunyai ketahanan balistik yang baik untuk tipe II. 4. Pelat komposit matriks aluminium berpenguat silikon karbida belum dapat menahan beban balistik tipe IIIA (peluru kaliber 5.56 mm), dimana ketahanan balistik terendah untuk tipe IIIA terjadi pada komposit dengan kandungan 9 wt. % Zn dalam matriks.
8. 9.
10.
11. 12.
13.
Ucapan Terima Kasih Penelitian ini dibiayai melalui skema Hibah Riset Kolaborasi Nasional UI 2011. Terima kasih kepada Sdr. Ahmad Ashari, S.T. yang telah membuat desain cetakan dan alat pneumatik untuk proses squeeze casting. Daftar Pustaka 1.
2.
3. 4.
5. 6. 7.
B. Srivatsha, N. Ramakrishnan, 1997, On The Ballistic Performance of The Metallic Materials, Bulletin of Material Science, Vol 20 No. 1, 111-123. B. Srivathsa, N.Ramakrishnan, 1999, Ballistic Performance Maps for Thick Metallic Armour, Journal of Materials Processing Technology, 96, 81-91. A.P. Newbery, S.R. Nutt, E.J. Lavernia, 2006, Multi-scale Al 5083 for military vehicles with improved performance, J. Mat, April, 56 – 61. T. Lin, Q. Yang, C. Tan, B. Liu and A. McDonald, 2008, Processing and ballistic performance of lightweight armors based on ultra-fine-grain aluminium composites, J. Mater. Sci. 43, 7344 – 7348. M. Cohen, 6 Dec 2001, Laminated Armor, US Patent No. 6497966. E. di Russo, M. Burrati, S. Veronelli, 8 Dec 1981, Aluminium Alloys Composite Plates, US Patent No. 4426429. G. Lasker, 29 Oct 1974, Armor, US Patent No. 44264294111097.
14.
S.J.E Boos, C.A. Williams, 15 Oct 1998, Composite Armor Material, US Patent No. 6216579, D. Rahmalina, B.T. Sofyan, B. Suharno, E.S. Siradj, July 2011, Development of Steel Wire Rope-Reinforced Aluminium Composite for Armour Material Using the Squeeze Casting Process, Advanced Materials Research, Vol. 277, pp 27 -35. B.T. Sofyan, S. Susanti, R. R. Yusfranto, 2008, Peran 1 dan 9 w.t. % Zn dalam Proses Pengerasan Presipitasi Paduan Aluminium AA319, Makara Teknologi, 12 (1), pp. 48-54. F.L. Matthews, dan R.D Rawlijns, 1994, Composite Material: Engineering & Science. Chapman & Hall, Lodon, D. Rahmalina, I. Kusuma, B. Suharno, B.T. Sofyan, E.S. Siradj, 2010, Pengaruh Penambahan Unsur Cu dan Mg pada Daerah Antarmuka Komposit Matriks Aluminium Berpenguat Kawat Tali Baja untuk Aplikasi Material Armor melalui Proses Squeeze Casting, Prosiding Seminar Nasional SENAMM IV, Untirta, Cilegon. _, 1992, ASM Handbook Volume 15 : Casting, ASM International, The Materials Information Company. Hallstedt Bengt and Schneider Jochen M., A 2004, Simple Approach to Pressure Dependence, Examplified in the Al-Mg-Si System, Materials Chemystry, RWTH Aachen, Germany, Paper 2.8.
