Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB
2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6
Pengaruh Solution treatment Singkat pada Paduan Al-Si-Mg : Sebuah Studi Awal Indra Sidharta, Rahadian Firman P, Asri Kusumaningtyas, Wajan Berata, Sutikno Jurusan Teknik Mesin ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia
Abstrak Preliminary investigation has been done in order to study the effect of modication of precipitation hardening T6 on the hardness and microstructure of Al-Si-Mg alloy .The modification was carried out by means of shortening the duration of solution treatment.The alloy was heated at 540°C, 550°C and 560°C in a salt bath furnace containing mixture of salts. The solution time was set to 30, 60, 90 minutes. Afterwards, the alloy was subjected to artificial aging in a muffle furnace at 150°C for 2 hours. Hardness test and microstructural investigation was carried out in order to investigate the effect of the short solution treatment. Results showed that the hardness of the heat treated specimen tends to be lower than those of ascast. The tendency may arise from grain coarsening phenomenon that occured during heat treatment. Moreover, microstructure analysis showed that the heat treatment did not cause transformation of the Al-Si eutectic particles. Hence, it could be predicted that the Mg and Si only dissolved in small quantity. Keywords: precipitation hardening T6, short solution time, hardness, grain coarsening
1. PENDAHULUAN Paduan aluminium Al-Si-Mg merupakan paduan aluminium yang banyak digunakan sebagai komponen otomotif. Salah satu tahap fabrikasi dari komponen tersebut adalah perlakuan panas precipitation hardening T6. Perlakuan panas precipitation hardening T6 yang sering dilakukan di industri otomotif, terbagi atas dua proses, yaitu solution treatment dan artificial aging. Kedua proses tersebut memakan waktu yang cukup lama, sekitar 6-8 jam untuk solution treatment dan 4 jam untuk artificial aging, sehingga total waktu yang dibutuhkan adalah sekitar 12 jam. Walaupun perlakuan panas T6 memiliki keuntungan dan efek yang positif terhadap paduan Al-Si-Mg seperti meningkatkan keuletan, kekuatan dan kekerasan; panjangnya waktu yang dibutuhkan untuk perlakuan panas tersebut dapat menjadi suatu kekurangan bila ditinjau dari segi biaya dan waktu produksi [1]. Modifikasi perlakuan panas T6 dengan waktu total yang lebih pendek diharapkan dapat menjadi suatu solusi untuk mengatasi kekurangan tersebut. Salah satu modifikasi perlakuan panas T6 dilakukan dengan cara memperpendek waktu solution treatment. Pada kondisi as-cast, paduan Al-Si-Mg pada umumnya terdiri dari fase α dan daerah eutectic Al-Si yang membentuk semacam pola interdendritic. Daerah tersebut terdiri dari partikel Si yang membentuk pola benang memanjang dan terhubung dengan partikel Si yang lain. Hasil penelitian dari Shivkumar dkk [1-3] 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. 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. 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 Si 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. Parameter temperatur juga mempengaruhi solution treatment [3], 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 – AlFeMgSi, dan -AlFeSi. Dengan kata lain,
SNTTM X | 1058
Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB
temperatur yang terlalu tinggi akan menyebabkan lelehnya batas butir (grain boundary melting) dan menyebabkan turunnya kekuatan. Solution treatment yang singkat tetap harus memenuhi dua fungsi utama solution treatment, yaitu: Untuk menaikkan kadar Mg dan Si yang terlarut didalam matriks α ke level 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. Penelitian ini merupakan penelitian pendahuluan yang bertujuan untuk mempelajari pengaruh modifikasi perlakuan panas T6 terhadap sifat mekanik dan struktur mikro paduan Al-Si-Mg.
2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6
didinginkan didalam air. Kemudian, spesimen diberi perlakuan aging. Proses aging dilakukan dengan cara memanaskan spesimen hingga temperatur 150 °C didalam dapur pemanas, lalu ditahan selama 4 jam dan selanjutnya didinginkan dengan menggunakan air. Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan metode kekerasan Brinnel. Pengamatan struktur mikro melibatkan pengujian metalografi standar dengan menggunakan etching reagent 1 ml HF, 250 ml H20 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Struktur mikro paduan Al-Si-Mg pada kondisi as-cast terdiri dari matriks α-aluminium primer dan interdendritic Al-Si eutectic mixture yang membentuk zona yang tidak beraturan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pada umumnya partikel Mg2Si juga dapat diamati pada paduan Al-Si-Mg, namun pada penelitian ini partikel Mg2Si tidak dapat ditemukan. Partikel intermetallic kaya Fe berbentuk plat memanjang dapat diamati dengan jelas.
2. METODE Paduan Al-Si-Mg hasil proses gravity die casting digunakan sebagai spesimen percobaan. Komposisi kimia dari paduan Al-Si-Mg ditunjukkan pada Tabel 1. Tahap solution treatment dilakukan dengan cara memanaskan spesimen didalam salt bath furnace yang berisi campuran garam cair KNO3 dan NaNO3 dengan perbandingan massa 40 : 60 pada temperatur 540 °C, 550 °C, dan 560 °C. Tabel 1. Komposisi kimia paduan Al-Si-Mg yang dipakai dalam penelitian. Unsur Jumlah (% berat) Si 6.60 Mg 0.2561 Ti 0.1122 Fe 0.1225 Sr 0.0123 Al Remainder Mula-mula campuran garam dicairkan terlebih dahulu hingga mencapai temperatur percobaan yang diinginkan, yaitu 540 °C, 550 °C, dan 560 °C, lalu spesimen dimasukkan kedalam garam cair tersebut dan ditahan selama 30, 60, dan 90 menit. Selanjutnya spesimen diangkat dan
Gambar 1. Struktur mikro paduan Al-Si-Mg pada kondisi as-cast. Perbesaran 500X Setelah mengalami perlakuan panas T6 yang dimodifikasi, tidak terjadi perubahan yang signifikan pada struktur mikro spesimen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 . Partikelpartikel eutectic Al-Si yang berbentuk pelat panjang masih belum terpecah, dan jarak antar partikelnya tidak berubah secara drastis. Selain itu ukuran partikel eutectic Al-Si relatif tidak berubah.
SNTTM X | 1059
Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB
2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6
Gambar 2. Struktur mikro paduan Al-Si-Mg setelah solution treatment dengan variabel temperatur dan waktu tertentu, lalu diaging pada 150°C selama 4 jam. Perbesaran 500X. (a) 540°C, 30 menit. (b) 540°C, 60 menit. (c) 540°C, 90 menit. (d) 550°C, 30 menit. (e) 550°C, 60 menit. (f) 550°C, 90 menit. (g) 560°C, 30 menit. (h) 560°C, 60 menit. (i) 560°C, 90 menit. Hal tersebut dapat dijadikan suatu indikasi bahwa p roses modifikasi perlakuan panas yang dilakukan tidak optimal apabila dibandingkan dengan penelitian terdahulu [1]. Sifat mekanik akhir dari paduan Al-Si-Mg setelah perlakuan panas T6 dipengaruhi oleh jumlah Mg dan Si yang terlarut dalam matriks αaluminium. Bentuk, jarak antar partikel, dan ukuran partikel dapat dijadikan suatu indikasi tentang jumlah Mg dan Si yang terlarut. Dari hasil penelitian yang diperoleh dapat diprediksi bahwa kekerasan akhir yang diperoleh setelah proses aging tidak akan optimal. Gambar 3 menunjukkan nilai kekerasan spesimen setelah mengalami perlakuan panas T6 yang telah dimodifikasi. Secara umum, kekerasan cenderung menurun dengan semakin bertambahnya waktu solution treatment, pada semua temperatur solution treatment. Hal tersebut sesuai dengan prediksi yang diperoleh dari analisa struktur mikro, dimana bentuk, jarak
antar partikel Si relatif konstan dengan bertambahnya waktu. Penurunan kekerasan tersebut tidak sesuai dengan hasil yang diperoleh oleh Zhang [1]. Dengan bertambahnya waktu solution, maka jumlah rata-rata Mg dan Si yang terlarut semakin meningkat dan distribusinya semakin baik, sehingga setelah proses aging akan diperoleh kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi as-cast. Berdasarkan analisa struktur mikro dapat disimpulkan bahwa jumlah Mg dan Si yang terlarut kurang optimal sehingga efek peningkatan kekerasan rendah. Faktor lain yang dapat menyebabkan penurunan kekerasan adalah terjadinya perbesaran ukuran butiran (grain coarsening) dari paduan Al-Si-Mg setelah mendapat perlakuan panas. Gambar 4 menunjukkan struktur makro spesimen setelah mengalami perlakuan panas T6 bila dibandingkan dengan spesimen kondisi as-cast. Terlihat jelas bahwa
SNTTM X | 1060
Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB
2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6
Gambar 3. Kekerasan rata-rata spesimen setelah diberi perlakuan panas. ukuran butir dari spesimen yang mendapat perlakuan panas lebih besar dari pada ukrudan butiran spesimen pada kondisi as-cast. Ukuran butiran mulai membesar pada spesimen dengan waktu solution 30 menit. Ukuran butiran terbesar dihasilkan oleh spesimen dengan waktu solution 90 menit. Spesimen dengan temperatur solution 560°C dan waktu solution 30 menit menghasilkan kekerasan yang lebih tinggi dibandingkan spesimen kondisi as-cast. Fenomena tersebut diakibatkan karena pada spesimen dengan temperatur solution 560°C dan waktu solution 30
menit terdapat beberapa bagian yang menghasilkan partikel dengan jarak antar partikel yang relatif lebih besar, seperti yang ditunjukkan pada gambar 6. Gambar 6 juga menunjukkan bahwa secara umum, dengan naiknya temperatur solution kekerasan yang diperoleh juga naik, pada semua variabel waktu solution. Hal tersebut disebabkan karena dengan naiknya temperatur jumlah Mg dan Si yang terlarut dalam matriks semakin bertambah [4], sehingga jumlah precipitat yang terbentuk semakin bertambah pula.
Gambar 4. Struktur makro spesimen menunjukkan ukuran butiran setelah perlakuan panas.
SNTTM X | 1061
Seminar Nasional Teknik Mesin X Jurusan Mesin Fakultas Teknik UB
2-3 November 2011 ISBN 978 – 602 – 19028 – 0 – 6
coarsening) Struktur mikro akhir setelah proses aging relatif tidak berubah, dimana bentuk, dan jarak antar partikel relatif konstan, sehingga dapat disimpulkan bahwa proses modifikasi perlakuan panas yang dilakukan tidak optimal 5. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dapat dilaksanakan berkat dukungan PT. Primaalloy Steel dan Pendanaan Penelitian Lokal ITS. Atas dukungannya diucapkan terima kasih. Gambar 5. Struktur mikro paduan Al-Si-Mg setelah perlakuan panas dengan temperatur solution 550°C waktu 30 menit. Perbesaran 500X Mekanisme dibalik tidak optimalnya perlakuan panas setelah dimodifikasi, dan mekanisme grain coarsening perlu diteliti lebih lanjut. Pengukuran distribusi temperatur pada saat solution treatment perlu dilakukan untuk mengetahui perilaku peralatan. Analisa struktur mikro dengan menggunakan mikroskop elektron (SEM) akan dilakukan untuk mengidentifikasi partikel Mg2Si. 4. KESIMPULAN Modifikasi perlakuan panas precipitation hardening T6 pada paduan Al-Si-Mg dengan cara mempersingkat waktu solution menghasilkan nilai kekerasan yang tidak optimal. Kekerasan setelah proses aging cenderung turun dengan bertambahnya waktu solution. Penurunan kekerasan tersebut disebabkan karena mekanisme pembesaran butiran (grain
6. DAFTAR PUSTAKA [1] D. L. Zhang, L. H. Zheng and D. H. StJohn., 2002, "Effect of a short solution heat treatment time on microstructure and mechanical properties of modified Al7wt%Si-0.3%Mg", Journal of Light Metals, 2, 27-36. [2] Q. G. Wang and C. J. Davidson, 2001, "Solidification and precipitation behaviour of Al-Si-Mg casting alloys", Journal of Materials Science, 36, 739-750. [3] S. Shivkumar, et al., 1990, "Effect of solution heat treatment parameters on tensile properties of cast aluminium alloys", Journal of Heat Treating, 8, 63-70. [4] M. A. Moustafa, F. H. Samuel and H. W. Doty, 2003, "Effect of solution heat treatment and additives on the microstructures of Al-Si (A413.1) automotive alloys", Journal of Materials Science, 38, 4507-4522.
SNTTM X | 1062
