Please refer as: Bondan T. Sofyan, Nararia Askarningsih, Vina Nanda Garjati, Pengaruh Penambahan Seng terhadap Respons Pengerasan Penuaan Komposit Al-7Si-4Mg Berpenguat 5 % vol. Silikon Karbida Hasil Squeeze Casting, Prosiding Seminar Material Metalurgi 2014, Serpong, 2 Oktober 2014, pp. 95-102.
PENGARUH PENAMBAHAN SENG TERHADAP RESPONS PENGERASAN PENUAAN KOMPOSIT AL-7SI-4MG BERPENGUAT 5 % VOL. SILIKON KARBIDA HASIL SQUEEZE CASTING Bondan T. Sofyan, Nararia Askarningsih, Vina Nanda Garjati Departemen Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424, Indonesia *Email:
[email protected] Abstrak Material komposit merupakan salah satu jenis material yang saat ini banyak dikembangkan karena dapat menggabungkan sifat komponen penyusunnya. Karena keunggulannya tersebut, material komposit dapat diaplikasikan pada berbagai bidang, salah satunya adalah untuk aplikasi balistik. Untuk aplikasi balistik dibutuhkan material yang kekerasannya tinggi namun tidak mengorbankan ketangguhannya. Dalam penelitian ini dikembangkan komposit partikulat yang terdiri dari matriks paduan Al-7Si-4Mg berpenguat 5 % vol. silikon karbida hasil squeeze casting. Untuk ketangguhan yang tinggi, ditambahkan seng dengan variasi fraksi berat 1, 5, dan 9 % Zn yang kemudian mengalami laku pelarutan pada temperatur 500 °C selama satu jam dan dilanjutkan dengan pengerasan penuaan pada temperatur 200 °C. Karakterisasi yang dilakukan adalah pengujian kekerasan, pengujian impak dan fraktografinya, serta pengamatan dan analisis struktur mikro menggunakan mikroskop optik, SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDXA (Energy Dispersive X-ray Analysis). Hasil pengujian menunjukkan semakin tinggi kandungan seng maka semakin tinggi kekerasan puncak dan harga impak paduan. Seluruh sampel mencapai kekerasan puncak dalam waktu 2 jam.
Kata kunci: komposit aluminium, silikon karbida, seng, pengerasan penuaan, kekerasan. Abstract Composite materials are widely developed due to the possibility to obtain synergetic effects from their constituents. One application is for ballistic purpose. To obtain high ballistic properties, composites need to be hard as well as tough. One approach is through alloying and heat treatment processes. This research developed particulate composite consisted of aluminium alloy Al-7Si-4Mg with varied content of 1, 5, 9 wt. % Zn reinforced by 5 vol. % silicon carbide made by squeeze casting method. The composite was solution treated at 500 °C for 1 hour and then aged at 200 °C. The characterization included hardness testing to construct ageing curves, impact testing and fractography analysis, microstructure observation using optical microscopy, SEM (Scanning Electron Microscope) and EDXA (Energy Dispersive X-ray Analysis). The results showed that the higher the Zn content, the higher the peak hardness and impact values of composites. All samples reached peak hardness within 2 hours. Keywords :
aluminium composite, silicon carbide, zinc, age hardening, hardness.
PENDAHULUAN Material komposit merupakan salah satu jenis material yang saat ini banyak dikembangkan karena dapat menggabungkan sifat-sifat yang menyusunnya. Beberapa tahun belakangan ini, komposit berbasis logam (metal matrix composite) dengan matriks aluminium yang berpenguat SiC banyak digunakan untuk aplikasi penerbangan, militer, dan industri manufaktur karena kekuatannya tinggi dan memiliki ketahanan aus dan fatik yang baik [1]. Karena keunggulannya, komposit aluminium berpenguat SiC diaplikasikan pada berbagai bidang, salah satunya adalah untuk aplikasi balistik. Untuk aplikasi balistik dibutuhkan material yang kekerasannya tinggi namun tidak mengorbankan ketangguhannya. Dengan tujuan mencapai sifat tersebut, diperlukan penambahan elemen paduan pada matriks dan pengerasan penuaan. Penambahan magnesium pada lelehan paduan aluminium berguna untuk meningkatkan ikatan antarmuka antara partikel SiC dengan matriksnya [2]. Sedangkan penambahan seng pada aluminium merupakan kombinasi untuk mendapatkan kekuatan tarik yang paling tinggi dalam wrought aluminium alloy karena seng dapat menghaluskan lengan dendrit dan mampu membentuk mekanisme penguatan larutan padat [3]. Penambahan magnesium dan seng pada aluminium
PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014
95
meningkatkkan kekuattannya kareena merekaa dapat meembentuk endapan M MgZn2 sebaagai responn terhadap perlakuan paanas yang diiberikan [4]]. Kekuuatan dan kekerasan k d dari paduann aluminium m dapat diitingkatkan dengan peembentukann partikel keecil yang terrlarut dalam m bentuk faasa kedua paada matrikssnya. Hal teersebut dicaapai dengann proses perrlakuan pannas pengeraasan presipitasi (precip pitation harrdening). D Diharapkan mekanismee pengerasann presipitatt ini dapaat meningkkatkan kek kerasan maatriks paduuan alumin nium tanpaa mengorbannkan ketanggguhannya. METODE E PERCOB BAAN Dalaam penelitiaan ini, kom mposit partikulat berm matriks padduan Al-7Sii-4Mg deng gan variasii penambahaan Zn sebessar 1, 5, dann 9 % berat serta berpen nguat 5 % vol. v silikon karbida dib buat melaluii proses squueeze castinng. Sampell untuk prooses perlak kuan panas dipotong bberukuran 1x1x1 cm3 seperti dituunjukkan pada Gambar 1. Semeentara samp pel impak dibuat d sesuaai standar ASTM A E233 metode Chharpy (Gam mbar 2). Koomposit dibberi perlakuaan panas soolution treatment pada temperaturr 500 °C sellama satu jaam, dicelupp ke dalam air dingin dan d dilanjuutkan dengaan pengerasaan penuaann (age hardeening) pada temperaturr 200 °C (Gaambar 3). Respon R sam mpel terhadaap pengerasan penuaann dari komposit aluminnium berpennguat SiC ini i dilihat melalui m penngujian kekeerasan deng gan metodee Rockwell B menggunnakan mesinn uji keras Rocky. Peengujian kekkerasan dilaakukan dalaam rentangg waktu 5 menit hingga 24 jam.
Gambaar 1. Saampel unntuk perlakuuan panas peenuaan
penguujian
Ga ambar 2. Saampel untukk pengujian n impak
p p penuaan Gambaar 3. Tahappan proses pengerasan HASIL DA AN PEMBA AHASAN Respons Pengerasan P Penuaan Hasill pengujiann kekerasan digunakan untuk mem mbuat kurvaa penuaan yyang ditunju ukkan padaa Gambar 4. 4 Gambar tersebut menunjukkan m n semakin meningkatnnya kadar seng dalam m kompositt maka nilai kekerasannnya semakinn tinggi padda kondisi as-cast. a Hall itu diakibaatkan oleh peningkatan p n kadar Zn yang y dapat memicu m pem mbentukan dendrit d yang g lebih haluus pada matrriks alumin nium. Selainn itu, atom Zn Z memilikii diameter yang y lebih rendah r darip pada atom Al A (diamater atom Al = 0.142 nm,, Zn = 0.1388 nm) sehinngga atom Zn Z terlarut pada kisi atom a aluminnium dan m menyebabkaan tegangann kisi, yang disebut d denngan mekaniisme solid solution s streengthening (penguatan larutan pad dat) [3]. 96
PROSIDING SE P EMINAR MATEERIAL METALU URGI 2014
Pada Gambar 4 juga terlihat terjadinya penurunan kekerasan komposit pada kondisi setelah pendinginan cepat (as-quenched), bila dibandingkan dengan kekerasan hasil pengecoran (as-cast). Hal ini disebabkan oleh peningkatan jumlah vacancy pada saat solution treatment karena adanya peningkatan temperatur. Saat dilakukan pendinginan cepat, vacancy tersebut terperangkap dalam matriks sehingga terjadi kekosongan atom yang mengakibatkan penurunan kekerasan [5]. 75 70 Kekerasan (HRB)
65
9Zn 5Zn 1Zn
as‐quenched
60
as‐cast
55 50 45 40 35 30 0.01
0.1
1 Waktu (jam)
10
Gambar 4. Pengaruh kandungan seng terhadap kurva penuaan komposit paduan Al-7Si berpenguat 5 % SiC Nilai kekerasan puncak yang didapat adalah 60.02, 62.27, dan 68.40 HRB masing-masing untuk fraksi berat 1, 5 dan 9 % Zn. Komposit dengan kandungan 9 wt. % Zn memiliki kekerasan tertinggi dan terjadi peningkatan kekerasan sekitar 12 % dari komposit dengan kandungan 1 wt. % Zn dan sekitar 9 % dari komposit dengan kandungan 5 wt. % Zn. Kenaikan kekerasan komposit pada kondisi peak aged diperkirakan akibat terbentuknya presipitat MgZn2 yang tumbuh pada matriks. Nampak pada Gambar 4 bahwa perbedaan nilai kekerasan komposit dengan kandungan 1 dan 9 % Zn pada kondisi as-quenched hampir sama dengan perbedaan pada kondisi kekerasan puncak sebesar kurang lebih 20 HRB. Hal tersebut menandakan bahwa presipitat MgZn2 yang terbentuk pada matriks memiliki perbandingannya yang hampir sama dan jumlah yang terbentuk pun juga cukup banyak. Untuk menganalisis evolusi stuktur mikro pada komposit selama proses penuaan, dilakukan pengamatan dengan mikroskop optik yang hasilnya ditampilkan pada Gambar 5. Terlihat jelas bahwa penambahan seng menghaluskan jarak antar lengan dendrit (dendrite arm spacing, DAS). Untuk memastikan terjadi penghalusan, dilakukan pengukuran secara kuantitatif yang hasilnya ditampilkan pada Tabel 1. Terlihat bahwa pada kondisi as-cast, semakin tinggi kandungan seng, DAS semakin kecil. Matriks dengan kandungan seng 9 wt. % mengalami penurunan jarak lengan dendrit kurang lebih sebesar 27.56 %. Hal tersebut sesuai dengan teori bahwa seng yang terlarut pada matriks aluminium dapat menghaluskan lengan dendrit melalui mekanisme penghambatan pertumbuhan butir [3]. Sedangkan pada kondisi setelah dilakukan pengerasan penuaan didapatkan ukuran DAS dengan kecenderungan yang kurang teratur. Sehingga perlu dilakukan pengujian lebih lanjut untuk memahami kecenderungan ukuran DAS pada kondisi sampel setelah diberikan pengerasan penuaan. Pada struktur mikro komposit yang ditunjukkan pada Gambar 5 juga dapat dilihat bahwa distribusi persebaran SiC tidak merata dan masih ada bagian matriks yang tidak terdapat SiC. Hal ini disebabkan karena ukuran partikel SiC yang terlalu besar, sekitar 33.80-53.90 µm, sehingga cukup sulit untuk dapat terdistribusi secara sempurna. Selain itu, fraksi berat SiC sebesar 5 % diperkirakan masih terlalu sedikit untuk bisa mendapatkan persebaran partikel yang merata pada matriks. Berdasarkan penelitian Kim et al. [6], distribusi partikel SiC 3 µm dengan fraksi berat 10 PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014
97
% tersebar merata pada matriks Al–7.76Si–2.75Cu–0.28Mg dan menghasilkan respons kekerasan tertinggi pada pengerasan penuaannya, yaitu sebesar 90 HRB pada waktu 10 jam dengan temperatur penuaan 160 °C. Pada Gambar 5 juga dapat dilihat bahwa disekeliling partikel SiC terdapat garis gelap. Garis gelap tersebut diperkirakan adalah rontokan dari partikel SiC yang terjadi pada saat preparasi sampel. Al‐7Si‐4Mg‐1Zn
a
Al‐7Si‐4Mg‐5Zn
e
Al‐7Si‐4Mg‐9Zn
as ‐cast
i
38.38 HRB
b
49.12 HRB
f
52.62 HRB
under‐aged
j
37.34 HRB
c
39.20 HRB
k
peak‐aged
g
52.20 HRB
60.02 HRB
d
62.27 HRB
h
68.40 HRB
over‐aged
l
44.00 HRB
42.46 HRB
48.72 HRB
Gambar 5. Struktur mikro komposit paduan Al-7Si-4Mg berpenguat SiC 5 wt. % dalam kondisi as-cast, under aged, peak aged dan over aged dengan kandungan seng (a-d) 1 %, (e-h) 5 % , dan (il) 9 % berat pada temperatur penuaan 200 °C. Tabel 1. Pengaruh kandungan Zn dan kondisi penuaan pada ukuran DAS (dalam µm) Sampel Al-7Si-4Mg-1Zn Al-7Si-4Mg-5Zn Al-7Si-4Mg-9Zn 98
Kondisi Sampel Underaged Peak aged 20.46 19.40 21.30 17.62 16.50 12.43
As-Cast 25.90 23.46 18.76
Overaged 19.62 19.94 14.15
PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014
a
Tabel 2. Hasil analisis mikro m padda kompossit dengan matriks meengandung 1 % beraat Zn padaa posisi seesuai dengaan Gambarr 6 (a).
Tabel 3. Hasil analisis mikro m padda kompossit dengan matriks meengandung 5 % beraat Zn padaa posisi seesuai dengaan Gambarr 6 (b). b
Tabel 4. Hasil analisis mikro m padda kompossit dengan matriks meengandung 9 % beraat Zn padaa posisi seesuai dengaan Gambarr 6 (c).
c
Gambar 6. Hasil penngamatan SE G EM kompoosit Al7 7Si-4Mg deengan penam mbahan (a) 1 %, (b) 5 % dan (c) 9 % berrat Zn padda kondisi peak p aged dengan teemperatur penuaan p 2000 °C selamaa 2 jam.
PROSIDING SSEMINAR MATTERIAL METALLURGI 2014
Hassil pengam matan stru uktur mikrro kompossit dengann menggun nakan SEM M ditampiilkan padaa Gambarr 6. Padda perbesaaran 1000 kali, samp pel dianalisis dengan menggunaakan Energyy Dispersivve X-ray Analysis untuk mengetahuui kemunggkinan fasaa yang terbentuk akibat responss pengerassan penuaaan buatann. Berdasaarkan annalisis mikro m yanng ditunjukkkan oleh T Tabel 2, 3 dan 4, padda nomor 1 didetekssi partikel SiC. Secarra kuran tidaak umum partikel ini beruk seragam m dan tidakk tersebar merata m dalam m matriks.
99 9
Posisi nomor 2 adalah daerah antarmuka dari partikel SiC dengan matriks. Pada antarmuka tidak terlihat adanya void atau pori yang berarti bahwa ikatan antara matriks dan partikel SiC baik. Pada daerah antarmuka antara matriks dengan penguat tidak dideteksi keberadaan Mg yang berfungsi sebagai wetting agent. Keberadaan Mg tidak terdeteksi pada antarmuka karena Mg bukan bertindak sebagai pengikat, namun mengurangi tegangan permukaan antara matriks dan penguatnya. Diperkirakan Mg terikat sebagai fasa lain dalam matriks sehingga tidak terdapat pada daerah antarmuka. Pada nomor 3 dan 5, fasa yang terdeteksi adalah matriks paduan aluminium dengan unsur Zn yang jumlahnya semakin meningkat seiring dengan peningkatan kandungannya. Lalu pada nomor 4 terdeteksi adanya unsur Fe dan Mn pada matriks aluminium. Kedua unsur ini terdeteksi dari fasa intermetalik berwarna putih, dapat dilihat pada nomor 4, yang berada disekitar partikel silikon karbida. Diperkirakan keberadaan kedua unsur Fe dan Mn pada fasa intermetalik ini berasal dari inklusi pada ingot aluminium yang digunakan untuk proses pengecoran. Fasa intermetalik tersebut diperkirakan adalah α-Al(Fe,Mn)Si yang menyerupai flake. Keberadaan unsur Cr pada fasa ini mungkin juga disebabkan oleh adanya inklusi pada ingot. Sedangkan hasil analisis mikro pada nomor 6, yang ditunjukkan pada Tabel 2 dan Tabel 3, dideteksi kandungan Si yang cukup tinggi pada fasa yang berwarna abu-abu muda seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5. Diperkirakan fasa tersebut adalah Si eutektik yang berasal dari Si yang tidak larut pada matriks aluminium. Pada fasa Si eutektik ini juga terdapat kandungan Mg yang diperkirakan berasal dari unsur paduan Mg dan berikatan dengan Si sehingga membentuk presipitat Mg2Si akibat pengerasan penuaan. Penelitian Zhu et al. [7] menunjukkan bahwa presipitat Mg2Si hanya dapat diobservasi dengan TEM karena berukuran kurang lebih 30 nm dengan panjang kurang dari 500 nm [7]. Dapat disimpulkan bahwa presipitat Mg2Si tidak terdeteksi secara jelas pada analisis mikro EDXA karena ukurannya yang sangat kecil. Pada hasil analisis mikro yang dilakukan, tidak terdeteksi adanya presipitat MgZn2 yang terbentuk akibat pengerasan penuaan. Berdasarkan penelitian Nasser et al. [8], presipitat MgZn2 terbentuk sangat halus dan dapat dideteksi dengan SEM pada perbesaran 20.000 kali atau lebih. Pada penelitian ini presipitat MgZn2 tidak bisa terdeteksi oleh SEM diakibatkan oleh perbesaran SEM hanya 1000 kali. Pengujian Impak Pengujian impak dilakukan pada komposit dengan kondisi puncak (peak aged). Perbandingan harga impak ditunjukkan pada Gambar 7. Semakin banyak penambahan seng, harga impak semakin besar, yang terlihat dari kenaikan harga impak sampel 9 % Zn dari komposit yang mengandung 5 % Zn. Hal ini mengindikasikan bahwa penambahan seng meningkatkan kemampuan komposit untuk menyerap energi. Kenaikan harga impak menunjukkan bahwa transfer tegangan terdistribusi dengan baik dan diharapkan sampel tersebut juga memiliki ketahanan balistik yang besar. Gambar 8 menunjukkan foto makro permukaan patah impak dari sampel komposit. Walaupun patahan menunjukkan patahan getas, harga impak menunjukkan bahwa komposit dengan kandungan 9 % berat seng masih cukup tangguh. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pengerasan penuaan berhasil untuk meningkatkan ketangguhan komposit paduan aluminium berpenguat 5 % vol. SiC.
100
PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014
Harga Impak (J/m2)
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1%
5% %
9%
Kandungan Zn pada matrriks kompositt Al‐7Si‐4Mg
Gambar 7. 7 Pengaruh kandungann seng terhaadap harga impak i kompposit aluminnium Al-7S Si-4Mg-xZnn berpenguatt 5 % berat SiC pada kondisi peakk aged dengan temperattur penuaann 200 °C. a
b
c
10 mm
Gambar 8. 8 Permukaaan patahan impak i dari komposit Al-7Si-4Mg A dengan kanndungan (a)) 1 %, (b) 5 %, dan (c) 9 % berat Zn Z berpenguuat 5 % voll. SiC pada kondisi k kekkerasan punccak dengan temperaturr penuaan 2000 °C. KESIMPU ULAN Penaambahan kaandungan seeng ke matrriks komposit Al-7Si-44Mg berpennguat 5 % vol. v silikonn karbida daapat meninggkatkan kekkerasan padda kondisi as-cast. a Konndisi puncaak kekerasan n kompositt pada penuaaan di 200 oC dicapai dalam wakktu 2 jam. Kekerasan K p puncak palinng tinggi diicapai padaa kandungann seng sebeesar 9 % berat. Hasil analisis mikro m SEM (Scanning Electron Microscope) M ) menunjukkkan bahwa pada p matrikks aluminium m terdapat fasa interm metalik α-Al(Fe,Mn)Si. Sedangkann pengujian impak mennunjukkan bahwa b komp mposit dengaan kandungan 9 % berrat seng 9 % memilikii ketangguhaan paling tinggi yangg mengindiikasikan baahwa transfer tegangaan yang diiserap olehh matriks terrdistribusi dengan d baik ke penguatt. UCAPAN TERIMA KASIH Penuulis menguccapkan teriima kasih kepada Keementerian Riset dann Teknolog gi Republikk Indonesia yang y telah mendanai m riiset ini melalui Insentif Riset Sinaas tahun 2013 dengan kontrak k no.. 0658/H2.R R12/HKP.055.00 Perjanjjian/2013. Daftar Referensi [1] Song, M. 2009. Effects E of voolume fracttion of SiC particles onn mechanicaal properties of SiC/All compoosites. Transsaction Nonnferrous Meetals Society y of China 19 1 (6):14000-1404. [2] Henrikksen B.R., Johnsen, T.E. 1990. Innfluence off microstruccture of fibber/matrix in nterface onn mechaanical propeerties of Al/SiC composites. Materrials Science and Technnology 6:85 57-863.
PROSIDING SSEMINAR MATTERIAL METALLURGI 2014
1 101
[3] Sofyan, B.T, Susanti, S, dan Yusfranto, R. R. 2008. Peran 1 dan 9 wt. % Zn dalam proses pengerasan presipitasi paduan aluminium AA319, Jurnal Makara seri Teknologi 12 (1): 48-54 [4] ASM Handbook. 1990. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM International Handbook Committee. [5] Callister W.D. 2004. Materials Science and Engineering, 6th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc [6] Kim, S.W, Lee, U. J, Han, S. W, Kim, D. K, Ogi K. 200). Heat Treatment and Wear Characteristics of Al/Sicp Composites Fabricated by Duplex Process. Composites Part B 34: 737-735. [7] Zhu, M, Jian, Z, Yang, G, Zhou, Y. 2012. Effect of T6 heat treatment on the microstructure, tensile properties, and fracture behavior of the modified A356 alloys. Materials and Design 36: 243-249. [8] Nasser, A., Abdel-Fattah, G., Ghada, A. 2011. Fine scale precipitates in Al-Mg-Zn alloys after various aging temperatures. Materials Sciences and Applications 2:427-434.
102
PROSIDING SEMINAR MATERIAL METALURGI 2014
