PENGARUH TEMPERATUR DAN REDUKSI PADA PROSES CANAI PANAS PADUAN ALUMINIUM 2024 Generousdi(1) (1)
Dosen PNSD/DPK pada Sekolah Tinggi Teknologi Nasional (Stiteknas) Jambi. ABSTRACT
Temperature and thickness reduction of the material will change the hardness and microstructure, physical and mechanical properties. The raw material Aluminum 2024 was initially homogenized at temperatures of 490oC for 10 hours for the resulting alloy is free from micro-segregation and inclusion and evenly spread distribution of precipitates in the matrix. After further homogenized deformed using processes grind / roll at temperatures of 350oC and 400oC with a reduction of respectively 30% and 50%. From the observation of microstructure and hardness test shows that after homogenization, grain recrystallization process occurs, where the hardness is relatively the same (homogeneous) in all parts of the material. Hot rolled process will result in increased hardness of 62 to 88 HB and 91 (process conditions: temp. 350°C, reduction of 30% and 50%) and to 80 HB and 89 HB (process conditions: temp. 400°C, reduction 30% and 50%). The temperature process is the best hot rolled at a temperature of about 350oC, because in these conditions there is a higher hardness value than the rolled at temperature 400oC. Keywords: homogenization, hot rolled, hardness and microstructure 1. PENDAHULUAN Proses produksi untuk mendapatkan produk lembaran paduan Al-2024 pada saat ini teknologinya masih belum banyak dikembangkan di Indonesia. Oleh karena itu untuk memenuhi kebutuhan lembaran paduan Al-2024 di dalam negeri, saat ini masih diimpor dari Negara luar yang tentu saja harganya relatif mahal. Kebutuhan akan paduan Al-2024 pada saat ini diperkirakan akan mencapai lebih dari 300.000 metrik-ton[11. Permasalahan yang terdapat pada proses pembuatan lembaran paduan Aluminium 2024 adalah : 1) terjadinya pelengkungan dan retak material pada saat dilakukan canai dan setelah keluar pass. 2) terjadinya pembelahan pada material yang di rol/canai panas. 3) Sering terdapat ketidak seragaman kekuatan dan kekerasan pada bahan/ material yang dicanai.
dari kekuatan mula-mula (fully-annealed, O-temper) yaitu mencapai 50 kgf/mm2[4]. 2.1 Proses Canai Panas Bahan baku yang digunakan berupa pelat paduan Aluminium 2024 dengan tebal 9 mm. Proses canai panas dilakukan dengan menggunakan mesin canai (rolling machine) yang memiliki satu pass. Bahan baku yang telah dipanaskan di atas temperatur rekristalisasinya dilalukan diantara pass (pasangan roll). a.
Gaya-gaya dan hubungan geometri pada proses canai logam
Pada ”Gambar (1)” ditunjukkan skematik geometri, gaya, torsi dan tegangan pada proses pengerolan.
2. DASAR TEORI Karakteristik paduan Aluminium 2024 ditentukan dan dipengaruhi oleh kombinasi dan persentase dari unsur-unsur yang dikandungnya, terutama unsur : tembaga (Cu) dan magnesium (Mg), serta juga proses pembuatan. Adanya unsur tembaga dan magnesium yang terkandung dalam paduan Aluminium 2024 menyebabkan paduan mempunyai sifat mampu perlakuan panas (heat treatable-alloy), yaitu dengan cara pengontrolan terhadap proses pemanasan dan pendinginan. Bila proses diikuti dengan penguatan alamiah (natural-aging, T-4 temper), maka kekuatan paduan akan meningkat menjadi dua setengah kali
Gambar 1 Gaya-gaya yang bekerja selama pencanaian[7]
Pengaruh Temperatur dan Reduksi pada Proses Canai Panas Paduan Aluminium 2024 (Generousdi)
Agar benda kerja dapat masuk pada sela diantara dua rol, maka harus dipenuhi [7]: = tan . Bila = 0, benda kerja tidak dapat masuk ke dalam rol. b. Daya Pencanaian Gaya (beban) pengerolan total terdistribusi disepanjang Lp (length of contact), dan diasumsikan terkonsentrasi pada titik yang berjarak a dari sumbu rol, a = Lp. Karena daya didefinisikan sebagai kerja per satuan waktu, W = J s-1 dan N Hz (= s-1) dalam rpm. Maka daya yang dibutuhkan adalah sebesar[7], W = 4 aPN (Watt) dimana, P dalam Newton a dalam meter. Proses pengerolan/canai panas sangat dipengaruhi oleh temperatur dan laju regangan[8]:
Gambar 3 Pengaruh naiknya laju regangan terhadap deformasi dan tegangan alir[8]
”Gambar (3)” memperlihatkan pengaruh naiknya laju regangan terhadap deformasi dan tegangan alir. Terlihat bahwa bila laju regangan meningkat, maka akan menyebabkan[8]: - Tegangan luluh (yield stress) meningkat - Koefisien pengerasan regangan bertambah - dan keuletan berkurang.
=kn dimana,
= tegangan sesungguhnya k = koeffisien kekuatan
= regangan sesungguhnya Gambar 2 Pengaruh naiknynya temperatur terhadap deformasi dan tegangan alir[8]
2.2 Pengaruh laju regangan. Laju regangan adalah jumlah regangan/deformasi yang dihasilkan dibagi dengan waktu yang diperlukan untuk menghasilkan deformasi. Pada daerah temperatur tinggi pengaruh laju regangan menjadi dominan, sedangkan pada temperatur rendah menjadi lebih kecil[7]. Karena besarnya pengaruh laju regangan pada temperatur tinggi, maka pada kondisi pengerjaan panas besarnya tegangan alir tergantung pada kecepatan deformasi, o = f(ε)[7]
n = koefisien pengerasan regang Besarnya harga regangan sebenarnya pada saat beban maksimum,
u = n Karena k merupakan konstanta, maka didapat nilai n dengan persamaan : n = log / log
Gambar 4 Kurva logaritmik tegangan-regangan sesungguhnya[7]
119
”Gambar (5)” berikut memperlihatkan perubahan kekerasan, dari data hasil pengujian kekerasan setelah peleburan, homogenisasi dan canai panas (proses panas).
3. DATA HASIL PROSES PELEBURAN DAN CANAI PANAS
Kekerasan (BHN)
Nilai kekerasan rata-rata pelat setelah homogenisasi (material yang akan dicanai panas) adalah 62 HB. Dan setelah dilakukan pencanaian terjadi kenaikan nilai kekerasan sampai mencapai di atas 80 HB. 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
91
88
82
89
80
1 2 3
60
4 5 6
1
2
3
4
5
6
Kondisi Pengerjaan
Gambar 5 Grafik perbandingan kekerasan untuk berbagai proses pada kondisi panas Keteterangan / kondisi pengerjaan : 1. setelah peleburan (as-cast),Tl = 700 oC 2. setelah homogenisasi, Th = 490 oC dan waktu tahan, th = 10 jam 3. canai panas T = 350 oC, reduksi = 30% 4. canai panas T = 400 oC, reduksi = 30% 5. canai panas T = 350 oC, reduksi = 50% 6. canai panas T = 400 oC, reduksi = 50%
Pencanaian di atas temperatur rekristalisasi (92-183 o C) akan disertai oleh peristiwa pelunakan yang terdiri dari mekanisme pemulihan (recovery) dan pertumbuhan butir selama pencanaian (rekristalisasi dinamis) serta pertumbuhan butir setelah pencanaian (rekristalisasi statis). Pada canai panas dengan reduksi 30% dan temperatur 350oC (temperatur pencanaian rendah) seperti terlihat pada ”Gambar (5)” nilai kekerasan naik menjadi 88 HB. Sedangkan pada temperatur yang lebih tinggi, 400oC kekerasannya adalah 80 HB. Terlihat bahwa kenaikan kekerasan hasil canai pada temperatur 400oC adalah lebih rendah daripada kenaikan kekerasan pada temperatur canai 350oC. Hal tersebut disebabkan karena pada temperatur 400oC akan tumbuh inti-inti baru menggantikan butir-butir sebelumnya yang pipih dan berubah menjadi bentuk equi-axial, dimana kerapatan dislokasinya rendah dan bersifat lunak sehingga kekerasannya lebih
rendah. Pada temperatur pencanaian yang lebih rendah (350oC) proses rekristalisasi diperkirakan masih terjadi, karena masih berada di atas temperatur rekristalisasi paduan Aluminium 2024 (183 oC), tetapi oleh karena temperaturnya lebih rendah dari 400oC maka nukleasi juga rendah, sehingga proses rekristalisasi tersebut kurang berpengaruh terhadap perubahan besar butir, dan kekerasannya relatif stabil / tidak terjadi penurunan kekerasan. Pada temperatur canai panas yang sama, maka reduksi yang lebih tinggi (50%) menunjukkan hasil yang lebih tinggi bila dibandingkan hasil canai panas dengan reduksi 30%. Sedangkan untuk reduksi yang sama (50%) temperatur yang lebih rendah (350oC) memiliki kekerasan yang lebih tinggi (91 HB) dari temperatur 400oC yaitu 89 HB. Hubungan antara temperatur / persen reduksi terhadap kekerasan dapat dilihat pada ”Tabel (1).
Tabel 1 Hubungan temperatur / persen reduksi terhadap kekerasan Temp./Persen- Reduksi Kekerasan (HB)
350oC/30% 88
Dari ”Tabel (1), dapat dilihat bahwa meningkatnya persen reduksi (deformasi) akan berpengaruh terhadap rekristalisasi, dimana naiknya persen
400oC/30% 80
350oC/50% 91
400oC/50% 89
reduksi akan meningkatkan energi dalam (internal energy) pada batas butir. Energi dalam yang tinggi disertai pemanasan (energi aktivasi) yang relatif
Pengaruh Temperatur dan Reduksi pada Proses Canai Panas Paduan Aluminium 2024 (Generousdi)
100
Kekerasan (HB)
tinggi akan menyebabkan terjadinya nukleasi dan pertumbuhan inti-inti baru, akibatnya butir semakin banyak dan halus. Maka untuk temperatur canai panas yang sama, peningkatan persen-reduksi akan menghasilkan butir yang lebih banyak dan lebih halus, sehingga mengakibatkan terjadinya peningkatan kekerasan pada material.
90 80 70
Analisa Distribusi Kekerasan Proses Canai Panas
60
Distribusi kekerasan permukaan material hasil canai panas dapat dilihat pada gambar 6 sampai gambar 9.
50
”Gambar (6a)”, adalah grafik yang memperlihatkan distribusi kekerasan searah panjang untuk canai pada tem-peratur 350oC dan reduksi 30%. Terlihat bahwa nilai kekerasan permukaan material tidak sama besarnya pada arah tersebut. Kekerasan relatif tinggi terdapat pada bagian awal yaitu 88 HB, karena pada saat memasuki celah antara kedua rol terjadi impact yang cukup besar sehingga menimbulkan deformasi awal yang lebih besar dari pada bagian tengah dan ujung. Kekerasan tertinggi (91 HB) terdapat pada jarak 5 cm dari bagian awal, sedangkan pada bagian tengah kekerasan material berada pada nilai terendah 84 HB. Dan pada bagian akhir, kekerasan kembali naik menjadi 89 HB dan 90 HB, yang mana pada saat itu temperatur telah mulai turun, sehingga pada material diperkirakan terjadi peristiwa pengerasan regangan. Kekerasan rata-rata material adalah 88 HB. Perbedaan nilai kekerasan rata-rata dengan tertinggi adalah 3% dan dengan nilai terendah adalah 3,5%. Perbedaan tersebut relatif kecil sehingga dapat disimpulkan bahwa kekerasan permukaan arah panjang (longitudinal) material hasil canai panas pada temperatur 350oC dan reduksi 30% adalah homogen.
(b) Gambar 6 Grafik distribusi kekerasan permukaan lembaran paduan aluminium 2024 reduksi 30 % temp. 350 oc (a) arah panjang; (b) arah lebar. Untuk daerah permukaan searah dengan lebar material, pada grafik ”Gambar (6b)”, terlihat kekerasan cenderung meningkat pada bagian tengah dari pada bagian tepi. Hal tersebut disebabkan karena adanya pengaruh gaya penarikan keluar (ada tegangan) yang bekerja pada bagian tengah material saat pencanaian. ”Gambar (7a)”, memperlihatkan kurva distribusi kekerasan kondisi pencanaian pada temperatur 400oC dan reduksi 30%. Terlihat nilai kekerasannya naik pada bagian pangkal dan kemudian terjadi penurunan pada bagian tengah, serta naik kembali pada bagian ujungnya. Hal itu diperkirakan karena pada temperatur yang relatif tinggi masih terdapat penambahan energi panas pada saat pencanaian. Pada bagian ujung nilai kekerasan naik, karena telah terjadi penurunan temperatur material dengan cepat. ”Gambar (7b)”, memperlihatkan distribusi kekerasan pada arah lebar material. Dari gambar tersebut terlihat adanya kurva yang tidak simetris antara bagian kiri, tengah dan kanan. Hal tersebut diperkirakan karena adanya ketidak lurusan material ketika dilakukan pencanaian, sehingga terjadi perbedaan kekerasan diantara kedua sisinya.
100 90 80
100
70 60 50
Jarak pada arah-X (cm)
(a)
Kekerasan (HB)
Kekerasan (HB)
Jarak pada arah -Y (cm)
90 80 70 60 50
Jarak pada arah-X (cm)
(a) 121
Vol. 7, No.2,Desember 2010
100
100
90
90
Kekerasan (HB)
Kekerasan (HB)
Jurnal Teknik Mesin
80 70 60
80 70 60 50
50
Jarak pada arah-Y (cm)
Jarak pada arah-Y (cm)
(b)
(b) Gambar 7 Grafik distribusi kekerasan permukaan lembaran paduan aluminium 2024 reduksi 30% temp. 400 oc (a) arah panjang; (b) arah lebar.
Dari “Gambar (7)” dapat disimpulkan, bahwa perbedaan nilai kekerasan tertinggi pada arah panjang dengan nilai kekerasan rata-rata adalah 1%, dan perbedaan nilai kekerasan terendah dengan kekerasan rata-rata juga 1%. Untuk arah lebar, perbedaan nilai kekerasan tertinggi dengan nilai kekerasan rata-rata 3% dan dengan nilai kekerasan terendah 2%. Oleh karena itu, dengan memperhatikan data-data tersebut maka dapat dikatakan bahwa kekerasan pada permukaan material secara keseluruhan adalah homogen. Hal yang sama juga terjadi pada distribusi kekerasan permukaan lembaran paduan Aluminium 2024, yang telah mengalami canai pada temperatur 350 oC dan reduksi 50%, seperti ”Gambar (8)”
100
Gambar 9 Grafik distribusi kekerasan permukaan lembaran paduan aluminium 2024 reduksi 50% temp. 350 oc (a) arah panjang; (b) arah lebar. Perbedaan antara ”Gambar (7)” dan ”Gambar (8)” adalah terletak pada besarnya persen reduksi, dimana dengan meningkatnya persen reduksi, maka akan menyebabkan meningkatnya kekerasan material yang dicanai panas. Dari ”Gambar (9a)”, terlihat bahwa untuk temperatur canai 400oC dan reduksi 50 %, pada jarak 5 cm dari bagian awal material terlihat kenaikan kekerasan mencapai nilai tertinggi (95 HB). Hal tersebut disebabkan karena pada bagian awal material, terjadi deformasi yang menyebabkan kenaikan kerapatan dislokasi yang relatif tinggi, sehingga mengakibatkan naiknya kekerasan material. Sedangkan pada bagian tengah dan ujung kekerasan material turun menjadi 90 HB. Hal itu terjadi akibat adanya peningkatan temperatur oleh deformasi yang relatif tinggi, sehingga pada bagian tengah dan ujung material tersebut terjadi rekristalisasi dan pertumbuhan butir.
90
100
80
Kekerasan (HB)
Kekerasan (HB)
ISSN 1829-8958
70 60 50
90 80 70 60
Jarak pada arah-X (cm) 50
(a)
Jarak pada arah-X (cm)
(a) arah panjang
122
Pengaruh Temperatur dan Reduksi pada Proses Canai Panas Paduan Aluminium 2024 (Generousdi)
sama akan menghasilkan kekerasan yang lebih rendah.
Kekerasan (HB)
100 90
3.
Terjadinya rekristalisasi statis setelah canai panas menyebabkan distribusi kekerasan pada arah panjang (longitudinal) dan pada arah lebar permukaan menjadi homogen. Perbedaan terhadap kekerasan rata-rata adalah kecil 3%.
4.
Struktur mikro hasil canai panas pada temperatur 350oC menunjukkan bahwa bentuk butir menjadi lebih kecil dan pipih dibandingkan dengan temperatur 400oC, dengan presipitat CuAl2 dan CuMgAl2 berkumpul pada batas butir.
5.
Setelah perlakuan panas (T4), kekuatan luluh (y) dan kekuatan tarik maksimum (uts) cenderung meningkat, sedangkan kekerasan menurun dari sebelumnya.
80 70 60 50
Jarak pada arah-Y (cm)
(b) arah lebar Gambar 9 Grafik distribusi kekerasan permukaan lembaran paduan aluminium 2024 reduksi 50% temp. 400oc
Untuk ”Gambar (9b)”, proses canai pada temperatur 400oC dan reduksi 50 % terlihat nilai kekerasan yang terjadi adalah berfluktuasi dari arah kiri kekanan, dan lebih rendah pada bagian sisi-sisinya. Hal itu dapat disebabkan oleh pengaruh temperatur dan persen reduksi yang tinggi, dimana kombinasi kedua variabel tersebut meningkatkan temperatur melebihi kondisi normal, sehingga terjadi ketidakstabilan atom-atom dalam butir, yang mengakibatkan pelunakan dan ketidak rataan kekerasan pada permukaan material.
PUSTAKA 1.
Avner H. Sidney, Introduction to Physical Metal lurgy, McGraw Hill Book Company, International Edition, Singapore, 1987.
2.
ASM Specialty Handbook, Aluminums and Aluminum Alloys, ASM International, USA.
3.
ASM Handbook Vol.2, Properties and Selection for Non Ferrous and Special Purpose Materials, USA.
Bila diperhatikan dengan teliti grafik yang terdapat pada ”Gambar (6)” sampai dengan ”Gambar (9)”, terlihat bahwa dengan meningkatnya temperatur proses canai panas pada persen reduksi yang sama, menghasilkan kekerasan yang lebih rendah (lihat ”Gambar (6)” dan ”Gambar (7)). Untuk temperatur pencanaian yang sama, maka peningkatan persen reduksi akan menghasilkan kekerasan yang lebih tinggi (lihat ”Gambar (6)” dan ”Gambar (8)) atau (”Gambar (7)” dan ”Gambar (9)”). Hal itu terjadi karena pada temperatur proses pencanaian yang lebih rendah tegangan alir bahan lebih tinggi, sedangkan untuk persen reduksi yang tinggi menyebabkan kerapatan dislokasinya tinggi.
4.
Callister,W.D, Material Science and Engineering, John Wiley and Sons, New York, 1991.
5.
Dieter, G. E, Mechanical Metallurgy, McGraw Hill-Book Company, SI Edition, Singapore, 1988.
6.
Harris,J.N, Mechanical Working of Metals Theory and Practice, Pergamon Press, England, 1983.
7.
Hatch, J.E, Aluminum, Properties and Physical Metallurgy, American Society for Metals, MetalPark, Ohio.
4. KESIMPULAN
8.
Larke,E.C, The Rolling of Strip, Sheet and Plate, Science Paperbacks and Chipman and Hall Ltd. England, 1967.
9.
Polmer,I,J. Light Alloy Metallurgy of the Light Metal, Metallurgy and Materials Science Series, 1981.
Dari hasil uraian dan analisa di atas, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1.
Proses homogenisasi Aluminium 2024 pada temperatur 490oC dan waktu tahan 10 jam, mengembalikan keadaan paduan pada kondisi awal (T0), dan menghasilkan penyebaran presipitat yang merata pada seluruh matriknya.
2.
Peningkatan persen reduksi terhadap pelat Aluminium 2024 pada proses canai panas, akan meningkatkan kekerasan. Peningkatan temperatur canai panas pada persen reduksi yang 123
