PENGARUH SOLUTION TREATMENT DALAM GARAM CAIR DAN DAPUR PEMANAS KONVENSIONAL T6 TERHADAP SIFAT MEKANIK Al-Si-Mg. Rahadian Firman Pratama, Prof. Dr. Ir. Wajan Berata, DEA, Indra Sidharta. St. MSc Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Email:
[email protected] ;
[email protected]
Abstrak
Perlakuan panas T6 merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat mekanaik dari paduan aluminium as cast. Namun perlakuan panas T6 memiliki kekurangan berupa proses yang membutuhkan waktu yang lama. Dampak yang dihasilkan tentunya biaya produksi akan bertambah. Untuk mengatasi permasalahan maka diakukan proses pemendekan waktu perlakuan panas T6 dengan menggunakan salt bath sebagai media tahapan solution. Hasil yang didapatkan dari modifikasi perlakuan panas T6 tidak optimal jika dibandingkan perlakuan pana T6 konvensional. T6 modifikasi menghasilkan nilai σUTS dan kekerasan adalah 207,89 Mpa dan 58,71 BHN, sedangkan T6 konvensional 261,87 MPA dan.74,4 BHN. Penyebab tidak optimalnya short solution T6 adalah panas yang diterima spesimen tidak merata dan grain coarsening yang diduga terjadi pada saat proses pemanasan solution. Kata kunci: Perlakuan panas T6, solution treatment, artificial aging, salt bath. ABSTRACT T6 heat treatment is one way to fix mekanaik properties of aluminum alloy as cast. But the T6 heat treatment has the disadvantage of the process takes a l ong time. The resulting impact would be increased production costs. To overcome the problem then waged shortening process time T6 heat treatment using a salt bath as a m ediumstage of solution. Results obtained from the modification of T6 heat treatment is not optimal, when compared to conventional heat treatment T6 . T6 modification produces σUTS and hardness values are 207,89 MPa and 58,71 BHN, whereas the conventional T6 dan.74 MPA 261,87,74,4 BHN. The cause is not optimal solution short T6 heat received by the specimen is not uniform and the grain coarsening that allegedly occurred during the heating process solution. Key words : T6 heat treatment, solution treatment,artifical aging, salt bath
1.
Pendahuluan Logam paduan Al-Si-Mg merupakan logam paduan pengecoran yang banyak digunakan pada dunia komersial. Alasan penggunaan logam paduan Al-Si-Mg dikarenakan paduan ini memiliki kemampuan mudah dibentuk, ringan, dan ketahanan korosi yang baik. Produk yang banyak menggunakan paduan Al-Si-Mg saat ini adalah produk yang digunakan dalam dunia otomotif, ruang angkasa, pertahanan, dan transportasi. Agar dapat dipakai dalam produk tersebut maka perlu mencapai sifat mekanik sesuai standart JIS H 5202 yaitu : UTS minimal 245,25 Mpa, elongation minimal 5%, kekerasan minimal 75 H v. Sifat mekanik pada paduan aluminium as cast tidak dapat langsung dipergunakan karena hanya mencapai UTS 180,09 Mpa, sehingga perlunya meningkatkan sifat mekaniknya. Salah satu tahapan fabrikasi dari komponen tersebut adalah presipitation
hardening T6. Presipitation hardening T6 merupakan proses perlakuan panas yang banyak digunakan pada paduan non-ferrous. Proses ini bertujuan untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan , d idasarkan pada dekomposisi senyawa intermetalik dari larutan padat metastabil jenuh yang diperoleh dari tahapan solution treatment dan artifical aging.[1] Pada industri, umumnya proses precipitation h ardening T6 dilakukan pada temperatur solution 540⁰C selama 8 jam dan aging pada temperature 160⁰C selama empat jam dengan menggunakan dapur pemanas dengan media udara sebagai perantara panasnya (dapur konvensional). Proses ini dapat menghasilkan kenaikan angka kekerasan sebanyak 71%, dari hasil as cast yaitu 55,78 HBN menjadi 71,56 HBN[12]. Angka kekuatan yang dapat dihasilkan dari proses ini dapat meningkat sebanyak 68%. Proses presipitation hardening T6 yang banyak dipakai pada industri umumnya memiliki kekurangan, yaitu proses 1
holding time tahapan solution yang membutuhkan waktu lama. Proses yang lama tentunya akan menjadi sebuah kerugian pada sebuah siklus produksi dari segi biaya dan waktu produksi [1]. Untuk mengatasi kekurangan ini maka dilakukan upaya pemendekan waktu pada saat solution treatment.[1, 2]. Harapan yang ingin dicapai adalah mendapatkan hasil berupa sifat mekanik yang sama dengan proses perlakuan panas T6 konvensional dengan waktu produksi yang lebih singkat sehingga profit perusahaan dapat meningkat seiring waktu produksi yang singkat. Peneltian dari Zhang dkk dan Shivkumar dkk [1, 2] menemukan bahwa, waktu dari solution treatment dapat dipersingkat sehingga dapat meningkatkan kekuatan sebesar 85% 90% dari hasil as cast. Proses ini menandakan bahwa dengan melakukan proses pemendekan waktu solution maka dapat meningkatkan nilai kekuatan yang cukup dibanding dengan proses solution standart. Pada penelitian kali i ni akan dilihat efek yang ditimbulkan dari modifikasi perlakuan panas T6 tahapan solution menggunakan media garam cair . Waktu penahanan merupakan hal yang akan di variasikan. Waktu penahanan yang akan dipakai dalam penelitian kali ini adalah 30, 60, dan 90 m enit. Temperatur solution yang akan dipakai adalah 540⁰C, 550⁰C, 560⁰C. Tinjauan Pustaka Aluminium merupakan logam yang paling banyak terdapat dilapisan kerak bumi. Pada umumnya aluminium terdapat secara alami sebagai mineral bauksit sehingga harus diproses lagi dengan cara proses Bayer dan Hall-Heroult untuk mendapatkan aluminium murni. Secara umum aluminium memiliki keuntungan sebagai berikut:
mempermudah mempelajari perubahan fasa yang terjadi.
Gambar 2.1: Diagram fase binary Al-Si[11]
Paduan Al-Si-Mg banyak digunakan untuk komponen otomotif dan aerospace karena memiliki castability dan ketahanan korosi yang sangat baik, serta sifat mekanik yang baik pada kondisi setelah perlakuan panas [4]. Salah satu komponen otomotif yang sering menggunakan paduan Al-Si- Mg adalah casting wheel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
2.
Ringan, dengan massa jenis sekitar 2.7 gr/cm3 • Castability dan keuletan yang baik • Tahan korosi • Memiliki konduktivitas listrik dan panas yang baik • Kekuatan bervariasi, bahkan dapat melebihi baja struktural. 2.2 Paduan Al-Si-Mg Paduan aluminium yang digunakan dalam penelitian ini adalah paduan Al-Si-Mg. Pada paduan Al-Si-Mg, diagram fasenya didekati dengan diagram fase Al-Si untuk •
Gambar 2.2: Casting wheel kendaraan bermotor yang dibuat dari paduan Al-Si-Mg
Paduan Al-Si-Mg merupakan pengembangan dari paduan Al-Si. Silikon memiliki karakteristik meningkatkan k ekuatan dan kekerasan dari aluminium [3]. Magnesium (Mg) [4] ditambahkan kedalam paduan Al-Si untuk lebih meningkatkan sifat mekanik kekuatan dan kekerasan melalui pembentukan Mg2Si dari proses perlakuan panas. Mg dan Si memiliki peranan yang penting dalam penentuan sifat mekanik paduan Al-Si-Mg. Kenaikan kadar Mg dalam paduan akan menaikkan kekuatan dan menurunkan keuletan [5], sedangkan kenaikan Si cenderung menurunkan keuletan. Selain jumlah, distribusi Mg dan Si didalam
2
matrix juga mempengaruhi sifat mekanik dari paduan Al- Si-Mg [6]. Struktur mikro dari paduan Al-Si-Mg kondisi as-cast pada umumnya terdiri dari matriks α-Al dan eutectic mixture Al-Si disertai dengan struktur minor π–AlFeMgSi, dan β AlFeSi dan Mg2Si. Struktur mikro dari paduan Al-Si-Mg dalam kondisi as cast dapat dilihat pada Gambar 2.3. Gambar tersebut menunjukkan struktur mikro paduan A357, fase terang adalah matriks α- Al dan fase gelap adalah fase eutectic Al-Si yang pada umumnya membentuk pola interdendritic.
timbulnya partikel-partikel kecil dalam skala nano yang tersebar merata pada matriks. Partikel-partikel kecil tersebut, pada umumnya disebut presipitat, timbul setelah paduan Al diberi perlakuan panas. Precipitation hardening pada umumnya terdiri dari dua tahap perlakuan panas, yaitu solution treatment dilanjutkan dengan quenching, dan aging (precipitation treatment) yang diilustrasikan secara skematis pada Gambar 2.5. T emperatur pemanasan untuk kedua tahap tersebut bervariasi tergantung dari jenis paduan aluminium dan pada umumnya memiliki range tertentu [7]. Solution treatment dilakukan dengan cara memanaskan paduan aluminium hingga mencapai daerah satu fase (solid solution) dan ditahan untuk melarutkan semua atom unsur paduan lain sehingga hanya terbentuk fase tunggal yaitu solid solution.
Gambar 2.3: Struktur mikro as-cast ingot paduan A357 [6]
Struktur mikro pada umumnya bisa dilihat dan diidentifikasi dengan menggunakan mikroskop elektron, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4: Foto SEM pada mode backscattered electron dari paduan 603 kondisi as-cast. Morfologi dari struktur π dan β dapat dilihat dengan jelas .[4]
2.3 Mekanisme Penguatan Melalui Precipitation Hardening Precipitation hardening atau age hardening merupakan mekanisme penguatan utama pada paduan Al yang bisa dilaku-panas. Kekuatan dari paduan Al akan naik setelah diberi perlakuan panas precipitation hardening. Kenaikan kekuatan tersebut diakibatkan oleh terhambatnya pergerakan dislokasi akibat
Proses quenching atau pendinginan secara cepat ke temperatur kamar dilakukan setelah proses solution treatment. Pendinginan cepat bertujuan untuk mencegah terjadinya difusi dari atom unsur paduan lain, sehingga tidak terjadi pembentukan fase baru selain fase tunggal. Setelah pendinginan cepat, paduan berada pada kondisi non ekuilibrium dimana terjadi kondisi lewat jenuh pada solid solution (supersaturated solid solution).
Gambar 2.5:Skema perlakuan panas precipitation hardening secara umum.[8]
Proses aging dilakukan pada temperatur yang tidak terlalu tinggi. Pada tahap ini, presipitat mulai muncul dari supersaturated solid solution dan terdistribusi merata pada matriks. Presipitat yang tersebar merata akan mencegah pergerakan dislokasi ketika paduan Al dideformasi, sehingga kekuatan dan kekerasannya naik. Selain itu, pada saat presipitat mulai tumbuh terjadi distorsi pada lattice kristal disekitar presipitat; distorsi
3
tersebut turut berkontribusi dalam menghambat pergerakan dislokasi. Kenaikan kekerasan paduan Al setelah aging ditunjukkan pada Gambar 2.6 y ang merupakan hasil penelitian dari Li dkk [9]. Gambar tersebut menunjukkan bahwa proses aging dipengaruhi oleh temperatur dan waktu, sehingga pada akhirnya akan mempengaruhi nilai kekerasan akhir. Bentuk kurva kekerasan yang tipikal pada Gambar 2.6 diakibatkan oleh pertumbuhan presipitat. Pada daerah sebelum titik maksimum, pertumbuhan presipitat masih kecil sehingga efeknya terhadap kekerasan juga rendah, daerah ini pada umumnya dinamakan kondisi underaging. Pada daerah setelah kekerasan maksimum, nilai kekerasan juga cenderung turun meskipun tidak drastis. Penurunan kekerasan tersebut terjadi karena pertumbuhan dari presipitat sudah terlalu besar dan mulai menuju kondisi fase yang ekuilibrium sehingga kekerasan menurun, pada umumnya daerah tersebut disebut kondisi overaging.
dan ukuran partikel. Kondisi overaging dimana kekerasan dan kekuatan paduan mulai turun dikaitkan dengan partikel β’ dan β, dimana ukurannya lebih besar daripada β’’ sehingga kurang efektif dalam menaikkan kekerasan atau kekuatan. β”
β’ β
Gambar2.7: Ilustrasi kurva kekerasan atau kekuatan pada proses aging sebagai fungsi waktu di temperatur tetap [8].
2.4 Precipitation Hardening Paduan Al-Si-Mg
Fenomena pada kurva kekerasan hasil aging dapat dijelaskan melalui ilustrasi gambar 2.7. Gambar tersebut menunjukkan adanya perubahan atau transisi dari fase pada saat aging. Pada awal nilai kekerasan naik, atomatom element terlarut akan mengelompokkan dirinya dan membentuk piringan yang sangat tipis dan kecil (tebal 2 atom, diameter 25 atom). Piringan tersebut dinamakan zone, atau lebih dikenal dengan Guinier-Preston Zone (GP zone). Gambar 2.8: Ilustrasi proses prcipitation hardening T6 pada paduan Al-Si6,6-Mg
Gambar 2.6: Kurva kekerasan paduan Al-Si-CuMg setelah proses aging pada beberapa temperatur yang berbeda [9].
Efek GP zone terhadap kekerasan tidak terlalu signifikan. Seiring berjalannya waktu dan bertambahnya difusi atom terlarut, GP zone akan tumbuh dan menjadi partikel β’’. Kekerasan atau kekuatan maksimum diperoleh pada saat timbulnya partikel metastabil β’’. Partikel β’’ akan mengalami transisi fase menjadi β’ dan β seiring bertambahnya waktu
Proses precipitation hardening T6 pada paduan Al-Si-Mg dengan kadar Si sebanyak 6,6% dan Mg 0.25% dapat dilihat seperti ilustrasi pada gambar 2.8. Tahapan solution merupakan langkah awal dari proses precipitation hardening ini. Tahapan ini bertujuan untuk melarutkan Si dan Mg agar mendapatkan sebuah larutan padat yang homogen. Temperatur pemanasan pada solution treatment tidak boleh melebihi temperature boundary meltingnya. Untuk paduan Al-Si-Mg dengan kadar Si 6,6% proses pemanasan tidak boleh melebihi 577⁰C(garis eutectic) dimana setelah melewati temperature ini akan terjadi melelehnya batas butir dan terjadi perubahan fase dari larutan padat jenuh menjadi adanya fase liquid sehingga menggangu pembentukan larutan
4
padat jenuh dan mengakibatkan turunnya kekuatan. Proses pemanasan solution yang dianjurkan oleh Shivkumar dkk adalah tidak melebihi temperature 560⁰C, karena mulai temperature 561⁰C hingga 563⁰C mulai timbul liquid yang berasal dari lelehnya partikelpartikel yang ada pada larutan padat jenuh yang terdapat pada batas butir dan dapat mengakibatkan mulai penurunan sifat mekanik[2]. Dibutuhkan waktu yang cukup agar Si dan Mg dapat terlarut. Jumlah persentase Si lebih banyak daripada persentase Mg, hal ini akan mengakibatkan adanya Si yang tidak berikatan dengan Mg. Silikon yang tidak berikatan dengan Mg akan larut kedalam fase α Al menjadi eutectic mixture Al-Si. Proses quenching merupakan tahapan kedua yang dilakukan dengan tujuan mendapatkan larutan padat jenuh (super saturated solid solution) dimana larutan ini nantinya yang akan menjadi embrio dari precipitan ketika dilakukan proses aging. Tahapan aging merupakan proses pertumbuhan precipitat. Pada paduan Al-Si-Mg precipitat yang muncul adalah Mg2Si yang berasal dari larutan padat jenuh. Mg2Si ini merupakan fase β. Perkembangan Mg2Si dipengaruhi oleh temperature dan waktu pemanasan pada saat aging. Tahapan yang dilalui pada proses aging sebagai berikut : αsss phase
GP Zone
β’’
β’
β
Partikel dari Mg2Si akan mengalami pertumbuhan dengan seiring bertambahnya waktu atau dengan adanya peningkatan temperature aging. Semakin bertambahnya waktu dan temperature maka akan semakin cepat terjadi transformasi fase dari αsss menjadi β yang ditandai dengan adanya perbesaran dimensi dari prcipitat (gambar 2.9). Kekuatan atau kekerasan maksimum terjadi pada fase β’’(gambar 2.7), kemudian setelah melewati fase tersebut maka sifat mekanik cenderung menurun [9]. Pada saat proses aging, silicone terlarut juga terpengaruh oleh adanya penambahan waktu dan temperature. Silicone yang terlarut dan membentuk eutectic mixture Al-Si memiliki luasan yang lebih kecil dan memisah (gambar 2.9) di bandingkan dengan kondisi as-cast yang cenderung memiliki luasan Al-Si yang tersambung (gambar2.3)[2]. Seperti pada
fenomena pertumbuhan Mg2Si, semakin bertambahnya waktu dan temperature maka partikel silicone akan semakin mengalami perbesaran ukuran (gambar2.9) yang mengakibatkan turunnya nilai sifat mekaniknya. 2.5 Studi Hasil Penelitian Sebelumnya Perlakuan panas T6 sering digunakan untuk paduan Al-Si-Mg. Perlakuan panas terdiri dari tiga tahap, yaitu solution treatment, quenching dan aging. Pada kondisi as-cast, paduan Al-Si-Mg pada umumnya terdiri dari fase α dan daerah eutectic Al-Si yang membentuk semacam pola interdendritic, seperti ditunjukkan pada gambar 2.2. Daerah tersebut terdiri dari partikel Si yang membentuk pola benang memanjang dan terhubung dengan partikel Si yang lain. Hasil penelitian dari Shivkumar dkk [1, 2, 4] menunjukkan bahwa pada saat solution treatment morfologi dari partikel Si berubah, dimana partikel Si akan mengalami necking dan patah menjadi partikel yang lebih kecil. Partikel patahan tersebut secara perlahan akan menjadi lebih bulat (speroideized). Seiring dengan bertambahnya waktu solution treatment, partikel tersebut akan tumbuh menjadi lebih besar. Hal tersebut menunjukkan bahwa parameter waktu mempengaruhi solution treatment. Perubahan morfologi diatas ditunjukkan pada gambar 2.9 Proses solution treatment merupakan proses yang sangat penting untuk mendapat konsentrasi Si dan Mg yang maksimal didalam α, sehingga dapat menghasilkan sifat mekanik yang optimum setelah proses aging. Di dunia industri, waktu untuk solution treatment yang digunakan bervariasi, namun pada umumnya lebih dari 5 jam. Shivkumar dkk [2] dan Zhang dkk [1] dalam penelitiannya berhasil mengetahui bahwa waktu yang dibutuhkan untuk solid solution dapat dipersingkat. Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa dengan waktu kurang dari 1 jam, solution treatment dapat melarutkan S i dan Mg cukup banyak sehingga setelah di-aging didapat hasil yang cukup baik. Mereka juga menemukan bahwa dengan waktu solution treatment yang dipersingkat konsentrasi dari Mg dan Si didalam paduan tetap homogen dan merata. Sifat mekanik hasil solution treatment yang di persingkat kurang dari satu jam dapat dilihat pada gambar 2.10. Nilai UTS dan YS memiliki kecenderungan meningkat seiring bertambahnya waktu dan temperature pemanasan.
5
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.9: Struktur mikro tipikal dari paduan Al-Si-Mg hasil sand casting setelah diberi solution treatment pada temperatur 540 °C dengan waktu yang berbeda [1]. Perbesaran 500X. Struktur mikro hasil as cast (a), (b) 50 menit , (c) 1600 menit.
Gambar 2.10: Ys dan UTS dari paduan Al7wt%Si-0,3wt%Mg fungsi dari waktu solution treatment pada temperature 540⁰C dan 550⁰C. Garis putus-putus menggambarkan nilai dari YS dan UTS solution treatment selama 6 jam pada temperatur 540⁰C.
Parameter temperatur juga mempengaruhi solution treatment [2], karena temperatur akan mempengaruhi laju pertumbuhan dan pembulatan (spheroidization) partikel Si. Temperatur diatas 560 °C akan menyebabkan fase eutectic ternery menjadi leleh pada batas butir, fase ternary tersebut pada umumnya adalah partikel yang kaya besi seperti fase π– AlFeMgSi, dan β-AlFeSi. Dengan kata lain, temperatur yang terlalu tinggi akan menyebabkan lelehnya batas butir (grain boundary melting) dan menyebabkan turunnya kekuatan [2].
maksimum dan menghomogenkan distribusinya. Fungsi ini sangat penting untuk menghasilkan kekuatan yield yang optimum melalui proses aging. • Untuk menaikkan ukuran dan jarak partikel eutectic Si. Fungsi ini diperlukan untuk meningkatkan keuletan dari paduan Al dari kondisi as cast. Mekanisme penguatan melalui perlakuan panas T6 pada paduan Al-Si-Mg berhubungan dengan pembentukan presipitat Mg2Si atau fase β” pada saat proses aging [4, 9]. Untuk paduan Al-Si-Mg, urutan proses presipitasi adalah: αsssGP Zoneβ’’β’β, dimana αsss adalah fase α kondisi lewat jenuh, GP Zone adalah Guinier-Preston zone, β’’ dan β’adalah fase metastabil, sedangkan β adalah fase ekuilibrium. Wang dan Davidson [4] melaporkan dalam penelitian mereka bahwa kadar Mg relatif tidak mempengaruhi temperature tranformasi dari β’’. Mereka juga menemukan bahwa paduan dengan kadar Mg > 0.4 % cenderung lebih lambat mengalami overaging. GP zone dan fase metastabil sangat penting pada proses precipitation hardening. GP zone dapat dikatakan sebagai indikator awal terjadinya penguatan, sedangkan fase metastabil sangat efektif dalam menghambat pergerakan dislokasi. GP zone akan terurai sebelum terjadi pembentukan fase metastabil pada saat transisi fase. 3. Metodologi Perlakuan panas precipitation hardening yang dipakai untuk penelitian ini adalah perlakuan T6, dimana secara umum perlakuan T6 terdiri dari solution treatment, pendinginan secara cepat (quenching) dan dilanjutkan dengan artificial aging. Modifikasi yang dilakukan pada perlakuan panas T6 adalah dengan memperpendek waktu penahanan solution treatment. Tahapan perlakuan panas dilakukan sesuai dengan ilustrasi pada gambar 3.2. L abel (Tsol,tsol) pada gambar 3.2 menunjukkan bahwa temperatur dan waktu solution treatment divariasikan.
Solution treatment yang singkat tetap harus memenuhi dua fungsi utama solution treatment, yaitu [1]: •
Untuk menaikkan kadar Mg dan Si yang terlarut didalam matriks α ke level
6
mikro material yang menyebabkan adanya pengaruh pada sifat mekaniknya. Metode pengujian mikro yang dipakai menggunakan SEM dan pengujian mikro dengan mikroskop optic. 4. Data 4.1. PengujianMekanik 200.00
Konvenional 560⁰C(360 menit)
Gambar 3.2: Skema perlakuan panas T6 yang dilakukan dalam penelitian. Label (Tsol,tsol) menunjukkan bahwa temperatur dan waktu penahanan solution treatment divariasikan.
Solution treatment dilakukan dengan cara memanaskan spesimen didalam dapur salt bath sampai mencapai temperatur Tsol lalu ditahan pada temperatur tersebut selama tsol. Salt bath (garam cair) yang dipakai untuk proses ini adalah campuran garam nitrat KNO3 dan NaNO3 dengan perbandingan massa 40 : 60. Variasi temperatur Tsol dan waktu penahanan tsol pada tahap solution treatment ditunjukkan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2: Variasi temperatur penahanan solution treatment
dan
σY(Mpa)
150.00
100.00
550(garam cair) 560(garam cair)
0.00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 menit Gambar 4.1:Grafik perbandingan kekuatan yield rata-rata spesimen 300.00 250.00 200.00
Waktu penahanan solution treatment (tsol)
540 °C
30 menit
100.00
550 °C
60 menit
560 °C
90 menit
50.00
σU(Mpa)
Temperatur solution treatment (Tsol)
Pemanasan secara konvensional dilakukan dengan menggunakan dapur biasa (non salt bath). Tujuan dari pemanasan ini adalah sebagai pembanding antara hasil eksperimen yang dilakukan dengan hasil yang biasa dilakukan oleh industri pada umumnya.
540(garam cair)
50.00
waktu
360 menit (konvensional)
As cast
Konvensional 560⁰C(360 menit)
As cast
150.00 540(garam cair) 550(garam cair) 560(garam cair)
0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 menit Gambar 4.2:Grafik perbandingan ultimate rata-rata spesimen
kekuatan
Metode pengujian yang akan digunakan adalah metode pengujian meknik dan struktur mikro. Pengujian mekanik terdiri dari metode pengujan tarik dan kekerasan. Pengujian mikro dilakukan untuk melihat respons dari struktur
7
9 8 Elongation (%)
7 6 5 4 3 2 1 0
Konvensional 550⁰C(360 menit)
As cast
540(gara m cair) 550(gara m cair) 560(gara m cair)
Nilai elongation (Gambar 4.3) pada temperatur solution 540⁰C hingga 560⁰C akan mengalami kenaikan jika dibandingkan dengan hasil as cast. Nilai ini akan semakin meningkat dengan bertambahnya waktu penahanan antara 30 menit hingga 90 menit. Solution treatment pada dapur salt bath menunjukkan hasil elongation yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan solution treatment menggunakan dapur konvensional.
0 10 20 30 40menit 50 60 70 80 90 100
80
Konvensional 560⁰C(360 menit)
Nilai tegangan yield memiliki kecenderungan dengan seiring semakin bertambahnya holding time dan temperatur pada tahapan solution treatment Nilai tegangan ultimate memiliki kecenderungan yang sama dengan nilai yield strength ketika mengalami kenaikan temperatur solution, tetapi seiring bertambahnya holding time pada tahapan solution maka nilai tegangan ultímate akan cenderung semakin menurun, hal ini tidak sesuai teori dimana nilai ultímate akan semakin naik sejalan dengan bertambahnya holding time dan temperatur solution [1,2,8]..Nilai yield hasil dari mempersingkat waktu solution mengalami peningkatan antara 40%-60% dari spesimen as cast dan nilai ultímate mengalami kenaikan antara 11%-15% dari spesimen as cast, sedangkan nilai tegangan yield dan ultímate hasil perlakuan panas T6 konvensional masing masing mengalami kenaikan sebesar 128% dan 45%. Dari persentase didapatkan bahwa nilai tegangan yield dan ultímate hasil dari mempersingkat waktu solution masih lebih rendah dari hasil perlakuan panas T6 dengan cara konvensional.
Kekerasan (BHN)
70
Gambar 4.3:Grafik perbandingan elongation rata-rata spesimen Pada gambar 4.1 da n 4.2 m enunjukkan nilai tegangan rata-rata yield dan ultímate dari hasil uji tarik. Gambar tersebut merupakan fungsi dari waktu solution antara 30 m enit sampai 90 m enit untuk solution temperatur 540⁰C sampai 560⁰C. Nilai tegangan yield hasil dari waktu penahanan selama 30 menit dan diantara temperatur solution 540⁰C-560⁰C lebih tinggi jika dibandingkan dengan hasil as cast, sedangkan untuk nilai tegangan ultímate lebih rendah jika dibandingkan dengan hasil as-cast.
60
As cast
50 40
540(garam cair) 550(garam cair)
30
560(garam cair)
20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 menit
Gambar 4.4:Grafik nilai kekerasan rata-rata gabungan perlakuan panas T6
Gambar 4.4 m erupakan gambar kekerasan rata-rata gabungan hasil perlakuan panas T6. Gambar tersebut merupakan fungsi dari waktu solution antara 30 m enit sampai 90 menit untuk solution temperatur 540⁰C sampai 560⁰C. Hasil yang didapatkan untuk nilai kekerasan short solution T6 memiliki kecenderungan semakin menurun ketika holding time solution treatment semakin bertambah, tetapi nilai kekerasan cenderung naik ketika terjadi peningkatan temperatur solution. Hasil ini berbeda dari referensi yang dipakai [1,2,8] yaitu semakin bertambahnya holding time dan temperatur solution maka nilai kekerasan akan semakin meningkat. Nilai kekerasan hasil dari mempersingkat waktu solution masih lebih rendah dari hasil perlakuan panas T6 dengan cara konvensional. Nilai kekerasan hasil dari mempersingkat waktu solution hanya mengalami peningkatan sebesar 5% dari spesimen as cast. Peningkatan ini hanya terjadi
8
pada spesimen dengan temperatur solution 560⁰C, sedangkan nilai kekerasan hasil dari perlakuan konvensional mengalami peningkatan kekerasan antara 30%- 33% pada setiap variasi temperatur.
Gambar 4.7:
Stuktur mikro temperatur 550⁰C dengan
waktu penahanan 30menit (a), 60 menit (b), 90 menit (c), konvensional (d). Perbesaran 500x.
4.2. Pengujian Struktur Mikro
Gambar 4.5: Stuktur mikro spesimen as cast (Pembesaran 500x) Gambar 4.8:
Stuktur mikro temperatur 550⁰C
dengan waktu penahanan 30menit (a), 60 menit (b), 90 menit (c), konvensional (d).Perbesaran 500x.
Gambar 4.6: Stuktur mikro temperatur 540⁰C dengan waktu penahanan 30menit (a), 60 menit (b), 90 menit (c), konvensional (d). Perbesaran 500x.
Dari hasil pengujian metallography didapatkan hasil mikrostruktur paduan Al-SiMg kondisi as-cast berupa primary Al dendritik dan interdendritik Al-Si. Selain itu juga didapat partikel yang mengandung besi (Al-Fe-Si-Mg dan Al-Fe-Si). Hasil metallography spesimen setelah melakukan proses short solution pada dapur saltbath memiliki jenis struktur mikro yang sama dengan paduan as-cast. Mg2Si yang diharapkan terbentuk tidak dapat terlihat pada hasil pengujian metallography. Pada material hasil short solution didapatkan Si yang terlarut tidak terlalu banyak, sehingga jarak antara partikel Si tidak signifikan perbedaannya jika dibandingkan dengan hasil as-cast. Pada temperatur solution 540⁰C dan antara waktu solution 30-90 menit jumlah partikel Si yang terlarut tidak menunjukan perbedaan signifikan. Hasil ini juga terjadi pada temperatur solution 550⁰C dan 560⁰C. H asil pengujian metallography dengan menggunakan dapur konvensional memilik jenis strukturmikro yang sama dengan kondisi as cast. Mg2Si yang terbentuk juga tidak dapat terlihat pada pengujian metallography. Partikel Si hasil dari precipitation hardening T6 secara konvensional memiliki jarak yang lebih jauh dibandingkan dengan hasil as-cast, hal ini menandakan
9
banyak partikel Si yang terlarut ketika proses solution berlangsung. 5. Pembahasan 5.1. Pembahasan Dari hasil pengujian struktur mikro pada spesimen as cast didapatkan hasil berupa intermetallic partikel yaitu berupa partikel yang mengandung besi (Al-Fe-Si-Mg dan Al-Fe-Si) (gambar 5.1) dan interdendritic partikel berupa silikone (Si) dan primary α matrik. Partikel Mg2Si yang diharapkan tidak terlihat, hal ini diperkirakan karena adanya kandungan Sr yang mempengaruhi morfology dan ukuran dari Mg2Si [2,4,16]. Paduan Sr mempengaruhi pembentukan Mg2Si pada saat solidifikasi dengan mempertahankan kandungan Mg pada matrik , hal ini dapat dibuktikan dengan terdapat kandungan Mg pada matrik ( gambar 5.2 dan tabel 5.2). Hasil pengujian struktur mikro dapat mengindikasikan tidak optimalnya short solution t reatment menggunakan dapur salt bath jika di bandingkan dengan referensi [1,2,8]. Indikasi tidak optimalnya percobaan i ni t elah dijelaskan pada sub bab 4.3 dimana prediksi jarak antara partikel Si yang tidak terlalu jauh sehingga menimbulkan kemungkinan partikel Mg2Si yang terbentuk sedikit (gambar 5.3). Kondisi ini menyebabkan kemungkinan sifat mekanik hasil short solution T6 dalam dapur salt bath cenderung sama dengan kondisi as cast. Tabel 5.1: Hasil pengujian EDX pada pada matrik T6 konvensional paduan Al-Si-Mg dalam persen berat
Tabel 5.2: Hasil pengujian EDX pada matrik as cast paduan Al-Si-Mg dalam persen berat
Element
Wt%
Fe
22.5
Al
64.34
Si
13.6
Gambar 5.2: Hasil pengujian EDX pada matrik as cast paduan Al-Si-Mg
Gambar 5.3: Stuktur mikro spesimen hasil
Element
Wt%
solution treatment temperatur 560⁰C dengan
Mg
0.59
waktu
Al
89.99
konvensional (b).Perbesaran 500x.
Si
9.42
Gambar 5.1: Hasil pengujian EDX pada matrik T6 konvensional pada partikel yang mengandung besi pada paduan Al-Si-Mg
penahanan
30menit
(a)
dan
Dari hasil pengujian mekanik berupa grafik perbandingan kekuatan yield rata-rata (gambar 4.1), grafik perbandingan ultimate tensile strength (UTS) rata-rata (Gambar 4.2), grafik perbandingan elongation rata-rata (gambar 4.3), dan grafik nilai kekerasan rata-rata gabungan (gambar 4.4). D ari grafik tersebut menggambarkan hasil masing-masing nilai pengujian berdasarkan pengaruh dari perbedaan temperatur dan waktu penahanan solution treatment. Hasil dari pengujian didapatkan nilai kekuatan yield dari short solution treatment dalam garam lebih tinggi dari pada spesimen ascast. Nilai kekuatan yield hasil short solution
10
dalam dapur salt bath memiliki kecenderungan semakin meningkat seiring dengan peningkatan temperatur dan holding time solution treatment. Hal ini disebabkan karena Mg dan Si pada matrik semakin banyak yang terlarut seiring dengan bertambahnya holding time dan temperatur solution [1,2]. Hasil short solution treatment perlakuan panas T6 dengan menggunakan garam cair lebih rendah nilai yield nya jika dibandingkan dengan cara T6 konvensional. Hasil ini menggambarkan tidak optimalnya proses short solution treatment perlakuan panas T6 pada garam cair jika dibandingkan dengan cara proses solution treatment T6 konvensional. Indikasi yang dapat dijadikan pedoman bisa dilihat pada perbandingan kekuatan yield dari short solution treatment perlakuan panas T6 dalam garam cair pada temperatur 540⁰C dengan solution treatment T6 konvensional (gambar 5.4), dimana seharusnya proses solution dalam dapur salt bath dapat menghasilkan k ekuatan yield lebih tinggi dari T6 konvensional karena sifat dari garam cair yang mampu menahan panas lebih lama jika dibandingkan dengan udara (T6 konvensional menggunakan dapur dengan media pemanas udara) . Kekuatan yield dipengaruhi oleh kandungan Mg yang terdapat pada matrix [1,15], sehingga prediksi sementara tentang tidak optimalnya proses short solution treartment T6 adalah kelarutan Mg pada saat solution treatment menggunakan garam cair lebih rendah jika dibandingkan dengan cara perlakuan panas T6 konvensional. 200.00
as cast
150.00 σY(Mpa)
30.00
100.00
60.00
50.00
90.00 Konvensiona l (360)
0.00
Untuk membuktikan prediksi tidak optimalnya short solution T6 pada dapur salt bath, maka penelitian dilanjutkan dengan melakukan pengujian distribusi temperatur menggunakan pengukur temperatur berupa termokopel tipe K yang ditanamkan pada bagian tengah spesimen (gambar 5.5).
Gambar 5.5: Spesimen yang ditanam thermocouple pada bagian tengan untuk mengukur distribusi temperature pada spesimen
Proses pengukuran dilakukan dengan cara memasukkan spesimen uji yang telah ditanam termokopel ke dalam dapur salt bath. Temperatur solution treatment yang dipakai 540⁰C dengan waktu 5000 detik. Hasil pengukuran distribusi temperature dapat dilihat pada gambar 5.6. Kenaikan temperatur dari temperatur kamar hingga kurang lebih 420⁰C berlangsung selama kurang lebih 25 de tik, kemudian kenaikan temperature berlangsung secara perlahan hingga hanya mencapai temperature tertinggi 460⁰C pada waktu 5000 detik. Jika proses pemanasan dilanjutkan diperkirakan temperatur cenderung konstan. Keadaan ini memberikan ilustrasi bahwa panas tidak terdistribusi hingga ke bagian tengah spesimen sehingga proses pelarutan dari Mg dan Si tidak berjalan dengan baik. Hasil ini memungkinkan perkembangan dari nilai yield nya tidak terlalu tinggi sehingga tidak dapat lebih tinggi dari nilai yield hasil T6 konvensional (gambar 5.4).
Waktu(menit) Gambar 5.4: Grafik perbandingan kekuatan yield ratarata spesimen set point 540⁰C T6 solution dalam garam cair dengan T6 konvesional dan as cast.
11
500
prediksi tidak optimalnya proses short solution treatment T6 pada dapur salt bath.
Temperature (°C)
400
Tabel 5.3:Hasil pengujian kekerasan spesimen temperatur solution 560⁰C,30 menit.
300
200
Jarak (mm)
100
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
Temperature 0
1000
2000
3000
4000
5000
Time (Seconds)
Gambar 5.6: Hasil distribusi temperature spesimen pada set point 540⁰C
Kekerasan 58.3 58,3 54,5 50,9 50,9 58,3 58,3 (BHN)
Pengujian kekerasan dilakukan untuk melengkapi hasil pengujian distribusi temperature. Pengujian dilakukan untuk memperkuat prediksi bahwa panas yang diterima oleh spesimen tidak merata sampai bagian tengah spesimen dengan cara membandingkan angka kekerasan dari b agian tengan dan tepi spesimen. Pengujian ini dilakukan de ngan latar belakang s pesimen hasil perlakuan panas T6 seharusnya memiliki kekerasan yang hampir sama pada setiap bagian spesimen karena telah melewati tahapan solution dimana harapannya kelarutan Mg dan Si dalam Al dapat merata sehingga saat proses aging partikel Mg2Si dapat terbentuk secara merata. Spesimen yang dipakai pada pengujian kekerasan ini merupakan bagian dari spesimen uji tarik yang di treatment pada temperature 560⁰C dengan waktu penahanan 30 m enit. Alasan pemilihan spesimen ini dikarenakan memiliki nilai kekuatan yang paling baik jika dibandingkan dengan hasil short solution T6 lainnya. M etode pengujian yang dipakai menggunakan Brinell dengan jarak indentasi tiap titik 2,5 m m dan po sisi indentasi seperti pada gambar 5.7. Hasil pengujian yang didapatkan mengambarkan angka kekerasan yang didapat dari tiap titik indentasi ( gambar 5.7 dan tabel 5.3). Nilai kekerasan semakin menurun ketika posisi indentasi semakin menuju bagian tengah spesimen. Hal ini terjadi karena kemungkinan Mg dan Si tid ak terlarut secara merata pada setiap bagian spesimen, sehingga pada saat proses aging Mg2Si yang terbentuk tidak homogen. Hasil dari pengujian distribusi temperature dan kekerasan dapat membuktikan
Gambar 5.7: Grafik dan gambar distribusi kekerasan spesimen pada set poin 560⁰C,30 menit
12
Ultimate tensile strength dari hasil modifikasi solution treatment T6 yang memiliki nilai lebih tinggi dari spesimen as cast hanya pada spesimen dengan temperatur solution 560⁰C. Nilai UTS hasil short solution T6 memiliki kecenderungan semakin menurun ketika waktu penahanan semakin lama. Prediksi yang mempengaruhi kedua hal ini karena kemungkinan terjadi grain coarsening. Ilustrasi peristiwa grain coarsening yang terjadi dapat dilihat pada gambar 5.8 dimana hasil pengujian makro menunjukkan bahwa ukuran grain pada penahanan 90 menit (gambar 5.8 d) lebih besar dari pada yang lainnya. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengetahui fenomena grain coarsening yang disebabkan karena proses pemanasan.
a
b
c
d
Gambar 5.8: Stuktur makro spesimen hasil as cast (a) dan solution treatment temperatur 550⁰C dengan waktu penahanan 30menit (b), 60 menit (c), 90 menit (d).
Pada proses perlakuan panas T6 kenaikan kekuatan didapat dari penyebaran dan perkembangan dari patikel Mg2Si. Hasil struktur mikro perlakuan panas T6 konvensional (gambar 5.2 b) menghasilkan partikel Si yang terpecah dan berkembang membentuk spheroid, bahkan ada juga beberapa partikel yang telah mengalami coarsening. Hal ini mengindikasikan banyak Mg dan Si yang larut pada matrik aluminium pada saat solution treatment. Hasil struktur mikro modifikasi perlakuan panas T6
(gambar 5.2 a) menghasilkan partikel Si yang telah terpecah dan berkembang, tetapi jarak antara partikel Si yang terpecah dan perkembanganya tidak seperti hasil T6 konvensional. Hasil perlakuan panas T6 modifikasi tidak sepenuhnya gagal, dengan melihat indikasi yang ada maka perlu dilakukan persiapan yang lebih optimal pada peralatan agar didapat hasil yang lebih optimal. 6. Kesimpulan Setelah melakukan percobaan maka kesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut : 1. Hasil short solution T6 dalam garam cair pada percobaan kali ini tidak optimal jika dibandingkan dengan T6 konvensional karena sifat mekanik yang dihasilkan lebih rendah dari hasil T6 konvensional. 2. Nilai optimum yang didapatkan dari percobaan short solution treatmen T6 dalam garam cair yang telah dilakukan yaitu pada temperatur solution 560⁰C, 30 menit sebesar 145,74 Mpa, 207,89 Mpa, 5,74%, 58,71 BHN untuk σ Y, σ UTS, elongation dan kekerasan. 3. Nilai optimum yang didapatkan dari percobaan p erlakuan panas T6 konvensional yang telah dilakukan yaitu pada temperatur solution 560⁰C, 30 menit sebesar 145,74 Mpa, 207,89 Mpa, 5,74%, 58,71 BHN untuk σ Y, σ UTS, elongation dan kekerasan.. 4. Hasil short solution T6 dalam garam cair pada percobaan kali ini tidak sesuai dengan standart JIS H 5202. 5. Penyebab tidak optimalnya short solution T6 dalam garam cair karena terjadi perbedaan temperatur antara bagian kulit dan tengah spesimen. Panas tidak mampu mencapai bagian tengah spesimen sesuai dengan set point yang diinginkan sehingga peroses solution tidak berjalan dengan baik. 6. Ditemukannya fenomena grain coarsening yang terjadi pada saat proses pemanasan, dan fenomena ini perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui penyebabnya.
13
7. Daftar Pustaka [1] D. L. Zhang, et al., "Effect of a sh ort solution heat treatment time on microstructure and mechanical properties of modified Al-7wt%Si0.3%Mg," Journal of Light Metals, vol. 2, pp. 27-36, 2002.
[12]
Firdianto Arie, Studi Eksperimental Pengaruh Perlakuan Panas T6 Ulang Terhadap Perbaikan Sifat Mekanis pada Paduan Aluminium A356.0 yang Mengalami Gagal Proses Perlakuan Panas T6. Surabaya: Perpustakaan ITS, 2006.
S. Shivkumar, et al., "Effect of solution heat treatment parameters on tensile properties of cast aluminium alloys," Journal of Heat Treating, vol. 8, pp. 6370, 1990. J. G. Kaufman, Introduction to Aluminium alloys and tempers. Ohio: ASM International, 2000.
[13]
J.A. Taylor, D.H.St jhon, J. Barresi, MJ. Couper, Int, J. Cast Metals Res 12 (2000) 419-430.
[14]
C.H. Caceres, Aluminium Trans, 1 (1999) 1-13.
[2]
[3] [4]
[5]
[6]
[7]
Q. G. Wang and C. J. Davidson, "Solidification and precipitation behaviour of Al-Si-Mg casting alloys," Journal of Materials Science, vol. 36, pp. 739-750, 2001. L. Pedersen and L. Arnberg, "The effect of solution heat treatment and quenching rates on mechanical properties and microstructures in AlSiMg foundry alloys," Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 32A, pp. 525-532, 2001.
[15] M. A. Moustafa, F. H. Samuel, and H. W. Doty, "Effect of solution heat treatment and additives on the microstructures of Al-Si (A413.1) automotivee alloys", Journal of Materials Science, vol. 38, pp. 4 507-4522, 2003. [16] Yang Mingbo, Shen Jia, “Modification and refinement mechanism of Mg2Si in Sr containing AZ61-0.7Si magnesium alloy”, February 2009.
N. D. Alexopoulos and S. G. Pantelakis, "Quality evaluation of A357 cast aluminium alloy specimens subjected to different artificial aging treatment," Materials and Design, vol. 25, pp. 419-430, 2004. J. G. Kaufman and E. L. Rooy, Aluminum Alloy Castings. Ohio: ASM International, 2004.
[8]
W. D. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction, 7th ed. New York: John Willey and Sons, Inc, 2007.
[9]
R. X. Li, et al., "Age-hardening behavior of cast Al–Si base alloy," Materials Letters, vol. 58, pp. 20962101, 2004.
[10]
JSA, "JIS Handbook," ed: Japanese Standards Association, 2008.
[11]
George E.Totten, Handbook of Aluminum : Volume 1 Physical Metallurgy and Processes.USA: Marcel Dekker,Inc
14
