Saefudin*, Toni Bambang Romijarso Peneliti Pusat Penelitian Metalurgi dan Material LIPI
Gedung 470, Kawasan Puspiptek, Tangerang Selatan *E-mail: saef003@lipi.go.id
Abstrak
Telah dilakukan penelitian terhadap plat hasil proses rapid solidification twin roll, dimana tebal plat tersebut adalah 2 mm. Dari bahan tersebut kemudian dibuat lima sampel uji dengan ukuran, yaitu tebal (awal) pelat 2 mm, lebar 20 mm, dan panjang 100 mm, selanjutnya ke lima sampel tersebut dirol dingin dengan berbagai tahapan yang berbeda-beda, yaitu : sampel pertama 1x, kedua 3x, ketiga 4x, keempat 6x dan kelima 7x. Dari hasil pengerolan tersebut kemudian setiap sampel diukur tebal dan panjangnya, juga diuji kekerasan serta pemeriksaan struktur mikro. Dari hasil proses tersebut ternyata ketebalannya berubah, yaitu pada proses tahapan pengerolan 1 kali diperoleh ketebalan 1 mm, untuk 3 kali tahapan diperoleh ketebalan 0,6 mm, untuk 4 kali tahapan diperoleh ketebalan 0,5 mm, untuk 6 kali tahapan diperoleh ketebalan 0,4 mm dan untuk 7 kali tahapan diperoleh ketebalan 0,3 mm. Hasil uji keras untuk bahan awal adalah 25,36 HV, sedangkan bahan pelat yang telah diproses rol dingin dengan banyaknya variasi tahapan pengerolan, adalah : untuk 1 kali tahapan pengerolan nilai kekerasan 44,95 HV, 3 kali tahapan pengerolan nilai kekerasan 43,67 HV, 4 kali tahapan pengerolan nilai kekerasan 45,02 HV, untuk 6 kali tahapan pengerolan nilai kekerasan 45,55 HV dan untuk 7 kali tahapan pengerolan diperoleh nilai kekerasannya adalah 42,20 HV. Pada pemeriksaan struktur mikro untuk bahan awal berbutir equal dimana material tersebut adalah hasil proses pembuatan pelat tipis dengan proses rapid solidification twin roll. Untuk proses 1 dan 3 kali tahapan pengerolan dingin, mempunyai butir pipih dimana hal tersebut karena terjadinya pengerasan regangan sehingga nilai kekerasan yang diperoleh lebih tinggi dibandingkan dengan bahan awal. Untuk struktur mikro pada proses tahapan 4, 6, dan 7 kali pengerolan terjadi recoveri butir, sehingga nilai kekerasan yang diperoleh tidak jauh berbeda dengan proses 1 dan 3.
Kata kunci: Pelat tipis, Rapid solidification twin roll, variasi tahapan roll dingin, butir equal, butir pipih,
pengerasan regangan, recoveri butir
PENDAHULUAN
Pembuatan pelat tipis aluminium murni yang dihasilkan dari proses rapid
solidification twin roll, tidak sama dengan cara proses pembentukan pelat tipis biasa, dimana
pada proses biasa material yang di rol tersebut dalam keadaan padat seperti halnya pada proses pengecoran direct chill dan pengecoran panas pada bilet secara langsung[1]. Rapid
Solidification, awalnya dikembangkan sekitar 35 tahun yang lalu oleh Dewez dan
rekan-rekannya di California Institute of Technology[2]. Dimana rapid solidification didefinisikan sebagai transformasi dari cair ke padat dengan memindahkan superheat dan panas laten pada tingkat pendinginan 102-106 Ks – 1[2].
Proses twin roll casting pada beberapa paduan alumunium akan meningkatkan sifat
mekaniknya. Akan tetapi, untuk paduan alumunium dengan waktu pembekuan yang relatif lebih lama, teknik ini tidak menguntungkan karena penekanan rol menjadi terbatas dan pelat tipis tidak dapat didinginkan secara langsung[1]. Proses pengecoran alumunium menggunakan konvensional twin roll casting memiliki beberapa kelebihan bila dibandingkan dengan proses
direct-chill casting, seperti biaya proses dan biaya perawatan yang murah. Tetapi proses ini
memliki kelemahan, yaitu: kecepatan pengecoran yang rendah (1m/min) dan terbatasnya paduan yang dapat di cor (alumunium murni, seri 3xxx dan seri 5xxx)[3]
Pada proses percobaan yang dilakukan, logam cair dialirkan dari tundish ke dalam celah diantara kedua rol melalui penampung, dimana logam cair tersebut akan membeku dan langsung dideformasi (di rol) dalam keadaan panas, sehingga menjadi pelat tipis. Selanjutnya dari proses tersebut dilakukan proses rol dingin berkali-kali pada pelat tersebut, sehingga
diperoleh ketebalan pelat yang lebih tipis bila dibanding dengan tebal pelat awal. Pada proses ini penyerapan panas yang cepat menyebabkan penurunan suhu setinggi 100° C atau lebih sebelum terjadinya pemadatan[2].
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan produk aluminium dengan ketebalan yang lebih tipis dari proses sebelumnya yaitu rapid solidification twin roll. Selain itu untuk menanggulangi bahan baku import pada pembuatan aluminium foil.
METODE PERCOBAAN
Proses percobaan yang dilakukan adalah dengan bahan awal yang mempunyai dimensi tebal 2 mm dari hasil proses rapid solidification twin roll. Kemudian dilanjutkan dengan proses pengerolan berkali-kali. Pertama pengerolan, O (tidak diproses rol dingin), kemudian di roll 1 kali, 3 kali, 4 kali, 6 kali dan 7 kali).
Diagram alir percobaan penelitian
Penelitian yang dilakukan meliputi :
1. Proses pembuatan pelat tipis dengan cara proses rapid solidification. 2. Proses rol dingin dari hasil percobaan rapid solidification twin roll. 3. Pengukuran dimensi hasil rol, kekerasan dan struktur mikro.
Skema diagram alir pada percobaan penelitian hasil proses rapid solidification twin roll dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram percobaan penelitian
Bahan pelat tipis 2 mm dari hasil proses rapid solidification twin roll tersebut dipotong dengan ukuran 100x20x2 mm. Satu sampel langsung diuji kekerasan dan struktur mikronya, sementara lima lainnya dilakukan proses lanjutan, yaitu diproses rol dingin dengan cara rol bertahap, dengan variasi tahapan, yaitu: 1 kali, 3 kali, 4 kali, 6 kali dan 7 kali. Dari sampel yang tidak di rol dan yang di rol tersebut kemudian diukur tebal, panjang dan lebarnya, dimana hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 1. Selain diuji kekerasannya dengan metode Hardness Vicker yang hasilnya dapat dilihat pada Tabel 2, juga dilihat struktur mikronya.
Tabel 1. Data ketebalan hasil proses
Dimensi, (mm) Bahan Awal, (mm) Di rol dingin
1 kali 3 kali 4 kali 6 kali 7 kali Panjang 10 18 38,5 55,5 58 77
Lebar 2 2 2 2 2 2
Tabel 2. Hasil uji keras
Proses untuk penipisan ketebalan yang dilakukan adalah dengan cara proses rol dingin dan pengkodean benda uji dipaparkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Keterangan pengkodean sampel
No. Sampel Keterangan
AM 0 Bahan pelat 2 mm dari hasil proses rapid solidification twin roll AM 1 Dari ketebalan 2 mm dijadikan 1 mm diproses rol sebanyak 1 kali, dari
panjang 10 cm setelah dirol menjadi 18 cm dengan lebar 3 cm AM 2 Dari ketebalan 1 mm dijadikan 0,6 mm diproses rol sebanyak 3 kali, AM 3 Dari ketebalan 0,6 mm dijadikan 0,5 mm diproses rol sebanyak 4 kali. AM 4 Dari ketebalan 0,5 mm dijadikan 0,4 mm diproses rol sebanyak 6 kali. AM 5 Dari ketebalan 0,4 mm dijadikan 0,3 mm diproses rol sebanyak 7 kali.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pelat tipis hasil proses rol dingin dengan tahapan variasi pengerolan yang berbeda dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Hasil rol dingin dengan variasi bertahap
Hasil pengujian kekerasan dengan menggunakan metoda Hardness Vicker’s dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Hasil uji keras sampel setelah beberapa tahapan rol dingin
No. Sampel Ketebalan (mm) Harga Kekerasan (HV), Posisi 1 2 3 4 5 Rata-rata AM 0 2 26,41 24,90 24,90 24,90 25,67 25,36 AM 1 1 45,99 44,57 42,57 44,16 47,47 44,95 AM 2 0,6 43,89 42,57 44,57 41,31 45,99 43,67 AM 3 0,5 43,89 43,89 44,85 42,57 43,89 45,02 AM 4 0,4 45,56 45,27 45,56 43,89 47,47 45,55 AM 5 0,3 42,57 40,70 41,93 41,93 43,89 43,20
Karena benda kerja yang sangat tipis, sehinga pelepasan panasnya relatif cepat yang mengakibatkan benda kerja hasil rol cepat mendingin, sehingga pengukuran suhu pada setiap proses pengerolan tidak dilakukan. Jadi dari hasil proses rol tersebut, yang diukur adalah
Keterangan Bahan awal 1 kali 3 kali 4 kali 6 kali 7 kali Rol dingin Harga
perubahan tebal, panjang dan lebarnya. Dimensi lebar hasil dari proses pengerolan tersebut tidak mengalami perubahan, ukurannya stabil.
Hasil Pemeriksaan Struktur Mikro
Hasil pemeriksaan struktur mikro yang diperoleh dapat dilihat mulai dari Gambar 3 sampai dengan Gambar 8. Pada Gambar 3 terlihat bahwa pelat hasil proses Rapid
Solidification twin roll tersebut, tidak mengalami proses pengerolan dingin dimana struktur
mikronya berbutir equal. Pada Gambar 4 sampai dengan Gambar 8 terlihat bahwa struktur mikro tersebut berbentuk pipih.
Gambar 3. Struktur mikro yang tidak mengalami proses pengerolan dingin di daerah tengah.
Etsa Kalling’s reagent
Gambar 4. Struktur mikro 1 kali tahapan pengerolan pada daerah tengah. Etsa Kalling’s
reagent
Gambar 6. Struktur mikro 4 kali tahapan pengerolan daerah tengah. Etsa Kalling’s reagent
Gambar 7. Strutur mikro 6 kali tahapan pengerolan daerah tengah. Etsa Kalling’s reagent
Gambar 8. Struktur mikro 7 kali tahapan pengerolan daerah tengah. Etsa Kalling’s reagent
Ditinjau dari dimensi bahan awal dengan ketebalan 2 mm dan setelah mengalami pengerolan dingin dengan posisi roll space yang rapat atau hampir mendekati nol, maka pada tahap pertama dengan pengerolan 1 tahap, diperoleh ketebalan 1 mm. Semakin banyak tahap pengerolan yang dilakukan, maka ukuran ketebalannya semakin tipis. Untuk proses 3 tahap diperoleh ketebalan 6 mm, untuk 4 kali tahap diperoleh ketebalan 0,5 mm, untuk 6 kali tahap diperoleh ketebalan 0,4 mm dan untuk 7 kali proses tahapan tebal yang diperoleh adalah 0,3 mm. Selain pengukuran ketebalan juga diukur panjangnya, semakin banyak tahap pengerolan yang dilakukan, maka hasilnya akan semakin panjang. Hal tersebut terlihat pada paparan tabel 1, dimana panjang awal adalah 100 mm, setelah mengalami satu kali proses tahapan, maka panjangnya menjadi 180 mm, selanjutnya pada 3 kali tahapan pengerolan panjang menjadi 385 mm, untuk 4 kali tahapan pengerolan, panjangnya menjadi 555 mm, untuk enam kali tahapan pengerolan panjangnya menjadi 580 mm, dan untuk 7 kali pengerolan panjangnya menjadi 770 mm, sedangkan lebar tidak mengalami perubahan.
Hubungan Kekerasan dengan Struktur Mikro
Pada percobaan pembuatan pelat tipis dengan proses Rapid solidification twin roll suhunya 20°C dari titik cair, maka butir yang dihasilkan berbentuk equal. Ditinjau dari hubungan hasil uji kekerasan, dimana bahan hasil proses rapid solidification twin roll adalah 25,4 HV, dengan struktur mikro berbutir equal (Gambar 3). Setelah mengalami proses pengerolan dingin 1 kali tahap dan 3 kali tahap, nilai kekerasannya naik, yaitu 45 HV dan 44 HV, hal itu terjadi karena adanya pengerasan regangan yang ditunjukkan oleh bentuk struktur mikro pipih (Gambar 4 dan Gambar 5).
Untuk sifat kekerasan dan struktur mikro pada pembuatan pelat tipis aluminium murni, dimana bila suatu bahan pelat alumunium mengalami proses rol dingin dari butir equal menjadi berbutir pipih. Butir pipih akan menghalangi proses dislokasi akibat terjadinya pengerasan regangan sehingga akan menghambat dislokasi, mengakibatkan matrik tersebut menjadi keras[5]. Pada setiap proses pengerolan, akan terjadi gesekan antara kedua rol dan benda kerja, sehingga terjadi panas yang tinggi[6]. Panas yang tinggi ini melebihi suhu di atas temperatur rekristalisasi alumunium murni tersebut, sehinga akan terjadi pertumbuhan butir baru[7]. Dimana butir baru ini akan berpengaruh pada butir fasa yang diperoleh, yang berpengaruh juga terhadap sifat berat material yang dirol tersebut[8]. Suhu rekristalisasi bisa diperoleh dari rumus ½ titik lebur dari material tersebut[9]. Pada pelat tipis ini mengalami suhu yang tinggi, tetapi cepat terjadi pelepasan panas sehingga suhu cepat menjadi dingin.
Sedangkan untuk pengerolan dengan 4, 6 dan 7 tahap, pelat tersebut mengalami recovery, dimana pada keadaan ini, akan terjadi fenomena pergerakan dan penghilangan cacat titik yang berupa vacansi dan intertisi, termasuk juga penghilangan dan penyusunan kembali dislokasi, yang menghasilkan pembentukan tilt dan atau twist long angle boundaries. Pada saat recovery tidak terjadi perubahan fisik butir, perubahan yang terjadi hanya pengaturan kembali dislokasi di butir, sehingga kekerasan menurun sedikit (pada rol dingin 7 kali tahap) akibat dari pengurangan rapat dislokasi dan cacat titik. Pemicu dari recovery ini adalah pengurangan energi di dalam material dengan penataan ulang dislokasi. Dimana mekanismenya adalah pergerakan atom dan vakansi untuk menghasilkan pergerakan dislokasi[9]. Hasilnya adalah terjadi penghilangan tegangan sisa dan pembentukan daerah pengintian[9] (Gambar 6, 7 dan 8), sehingga harga kekerasannya adalah: 45 HV, 46 HV dan 42 HV tidak jauh berbeda dengan proses pengerolan 1 tahap dan 3 tahap sebelumnya.
KESIMPULAN
1. Struktur mikro bahan awal berbutir equal
2. Struktur mikro proses 1 dan 3 kali tahapan berbutir pipih
3. Proses 1 dan 3 kali tahapan terjadi pengerasan regangan dimana kekerasannya meningkat.
4. Pada proses 4, 6, dan 7 kali tahapan pengerolan, butir mengalami recoveri sehingga hasil kekerasan tidak jauh berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
1. Saefudin, Ika Kartika, “Analisa Retak Pada Pelat Tipis Paduan Al-17Mg-1Si Hasil Pembekuan Cepat Dengan Twin Roll Pengecor”, Majalah Metalurgi Volume 25 Nomor 3, Desember 2010, ISBN 0126-3188.
2. Enrique J. Lavernia, T.S. Srivatsan, “The rapid solidification processing of materials:
science, principles, technology, advances, and applications”, Published online: 1
December 2009-Springer Science, Business Media, LLC 2009.
3. Galih Senopati, Saefudin, “Penambahan AlTiB Sebagai Penghalusan Butir Pada Proses Rapid Solidification Alumunium”, Majalah Metalurgi Volume 29 Nomor 3, Desember 2014, ISBN 0126-3188.
4. F. Alshmri, “Rapid Solidification Processing: Melt Spinning of Al-High Si Alloys”, Advanced Materials Research Vols. 383-390 (2012) pp 1740-1746 Online available since 2011/Nov/22 at www.scientific.net © (2012) Trans Tech Publications, Switzerland.doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.383-390.1740
5. Sidney H Avner, “Introduction to Physical Metallurgy” , Second Edition, Copy Right © 1974 by Mc Graw Hill Inc.
6. Donald S.Clark, PhD & Wilburr. Varnew,M.S. “Physical Metallurgy for Engineerings” Second Edition © 1962 by Litton Educastonal Publishing, Inc.
7. R.M. Brick/ A.W. Pense/ R.B.Gordon “Structure and Properties of Engineering
Materials“ Fourth Edition © 1977 by Mc Grow hill, Inc.
8. Van Vlack.L.H.1989. Elemens of Materal Science and Engineering. Published by person education inc. publishing as prentice hal.l 6th edition ISBN 0201093146
9. E.R.Petty,Bcc Phd.AJM “Physical Metallurgy Of Engineering Materials” George Allen and Unwin Ltd.