Material komposit Al-SiC yang telah berhasil dibuat yaitu menggunakan teknik metalurgi serbuk dengan bahan baku: Al alloy (A356.2) dan SiC (partikel 50 nm). Bahan wetting agent yang digunakan adalah aluminium nitrat [Al(NO3)3 pa. E Merck] sebanyak 1 % massa dari jumlah total bahan baku, sedangkan sebagai media pencampur digunakan ethanol. Variasi komposisi nano particle SiC dan Al alloy powder dibuat dengan perbandingan: 0 : 100, 2 : 98, 5 : 95, 10 : 90, dan 15 : 85 (dalam % massa). Variasi suhu sintering: 500, 550, 600, 650, dan 700 oC, masing-masing dengan waktu tahan (holding time) selama 1 jam.
Karakterisasi yang dilakukan pada material komposit Al-SiC, yaitu: densitas, porositas, koefesien ekspansi termal, kuat tekan, kuat patah, kuat tarik, kekerasan, analisa struktur mikro dengan X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope (SEM).
IV. 4. 1. Densitas
Hasil pengukuran densitas material komposit Al-SiC yang dibuat dengan teknik metalurgi serbuk menggunakan serbuk Al alloy (A356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % berat SiC, diperlihatkan pada gambar IV.1. Dari gambar tersebut terlihat bahwa tanpa penambahan SiC, nilai densitas yang
diperoleh berkisar antara 1,956 -2,532 g/cm3. Pada kurva tersebut terlihat bahwa nilai densitas sebagai fungsi suhu untuk semua komposisi cenderung naik sampai suhu pembakaran 650 oC dan khusus untuk matriks A356.2 pada suhu 700 oC telah melewati titik leburnya (melting point). Sampel uji 2 % SiC memiliki nilai densitas antara 2,276 – 2,816 g/cm3, 5 % SiC sekitar 2,311 – 2,846 g/cm3, 10 % SiC adalah 2,484 – 2,971 g/cm3, dan 15 % SiC adalah 2,494 – 3,02 g/cm3. Dari hasil tersebut, maka secara umum dapat dinyatakan bahwa korelasi suhu sintering terhadap densitas adalah linear (berbanding lurus). Suhu sintering optimum dicapai pada 650 oC, baik tanpa maupun dengan penambahan SiC. Dari lima komposisi dan suhu sintering sampel uji, kondisi optimum nilai densitas diperoleh pada penambahan 15 % SiC dan suhu pembakaran 650 oC.
Gambar IV.1.Hubungan antara suhu sintering terhadap densitas dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC.
Berdasarkan (Olivier B. 2002), nilai densitas matrik aluminium berpenguat SiCp (partikel SiC) adalah berkisar antara 2,6 – 3,2 g/cm3. Sedangkan dari data sheet Al/SiC (Alsic. 2009b) nilai densitas sangat bergantung pada persen penambahan volume. Untuk perbandingan Al alloy : SiC (electronic grade) = 37 : 63, 45 : 55 dan 63 : 37 % volume, diperoleh densitasnya masing-masing sebesar 3,01; 2,96; dan 2,89 g/cm3. Nilai ini mempunyai trend yang sama dengan hasil pembuatan material komposit Al-SiC. Keramik silikon karbida (SiC) memiliki temperatur sublimasi (lebur) sekitar 2700 oC dan nilai densitas sekitar 3,2 g/cm3 dapat digunakan sebagai material bearings (Wikipedia. 2009h). Sedangkan produk turunan SiC lainnya yang beredar di pasaran (Hexoloy. 2009d), mempunyai spesifikasi nilai densitas sebesar 3,10 g/cm3.
IV. 4. 2. Porositas
Hasil pengamatan porositas dari material komposit Al-SiC yang dibuat dari serbuk Al alloy (A356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi komposisi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % SiC, diperlihatkan seperti pada gambar IV. 2. Dari gambar tersebut
dapat terlihat bahwa tanpa dan dengan penambahan SiC, nilai porositas cenderung turun apabila suhu sintering semakin tinggi. Demikian pula halnya terjadi apabila penambahan aditif SiC diperbesar hingga mencapai 15 % SiC maka nilai densitas juga cenderung turun (Birkeland,P.W., 1984).
Gambar IV.2.Hubungan antara suhu sintering terhadap porositas dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC.
Rentang nilai porositas yang diperoleh untuk tanpa penambahan SiC adalah berkisar antara 2,32 - 6,36 %, dan polanya cenderung turun sampai suhu 650 oC, sedangkan pada suhu 700 oC khusus sampel A356.2 telah melebur (melt). Nilai
porositas pada komposisi: 2 % SiC adalah 1,01 – 4,33 %, 5 % SiC adalah 0,76 – 1,73 %, 10 % SiC adalah 0,51 – 1,24 %, dan 15 % SiC adalah 0,33 – 0,87 %. Artinya semakin kecil nilai porositas material komposit Al-SiC yang diperoleh maka semakin baik kualitas produk tersebut. Untuk material komposit Al-SiC yang telah beredar dipasaran, umumnya tidak berpori atau porositasnya adalah nol. Berdasarkan hasil pengujian porositas material komposit Al-SiC yang terbaik yaitu dengan nilai porositas terendah adalah pada komposisi 15 % SiC dan suhu sintering sebesar 650 oC.
IV. 4. 3. Koefesien Ekspansi Termal
Hasil pengamatan koefisien ekspansi termal dari material komposit Al-SiC yang dibuat dari serbuk Al alloy (A356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi komposisi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % SiC, diperlihatkan seperti pada gambar IV.3.
Gambar IV.3. Hubungan antara suhu sintering terhadap koefisien ekspansi termal dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC.
Nilai koefisien ekspansi termal dari material komposit Al-SiC tanpa penambahan SiC dengan suhu sintering 500 – 650 oC adalah berkisar antara (19 – 21) x 10-6 oC -1, sedangkan untuk suhu 700 oC sampel A356.2 telah melebur (melt). Untuk komposisi 2 % SiC, rentang suhu sintering 500 – 700 oC, nilai koefisien ekspansi termal yang diperoleh, yaitu: antara (11 –13,2) x 10-6 oC -1. Sedangkan pada komposisi: 5, 10, dan 15 % SiC, dengan rentang suhu sintering 500 – 700 oC, masing-masing diperoleh nilai kuat tekan sebesar: (10,4 –11,4) x 10-6 oC -1; (9,3 –10,3) x 10-6 o
C -1; dan (8 – 9,2) x 10-6 oC -1. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa kondisi optimum diperoleh pada komposisi 15 % SiC dan suhu sintering 650 oC, yaitu menghasilkan koefisien ekspansi termal sebesar 8 x 10-6 oC -1.
Nilai koefisien ekspansi termal untuk Al-SiC pada rentang suhu pengukuran 30 – 300 oC dengan perbandingan komposisi Al alloy : SiC (electronic grade) = 37 : 63, 45 : 55 dan 63 : 37 % volume, diperoleh sekitar (8,75 – 11,7) x 10-6 oC-1 (Alsic. 2009). Untuk jenis produk Fallon Casting dengan komposisi 20 % SiC metal matrix composite, nilai koefisien ekspansi termal pada rentang suhu pengukuran sampai
100oC adalah sebesar 9,1 x 10-6 oC -1 dan untuk alumina alloy (tipe: A 356-T6) adalah 11,9 x 10-6 oC -1 (Ofalloncasting. 2009g). Sedangkan sifat termal dari 398 alloy dengan sfesifikasi hypereutectic alloy (16 % Si) untuk NASA pada suhu pengukuran 100 oC, menghasilkan koefisien ekspansi termal sebesar 18,65 x 10-6 oC -1
(Lee, J.A.,2003). Produk lainnya komposit Al-SiC jenis metal matrix composite bervariasi antara (6,8 –12) x 10-6 oC-1 (Aavidsthermalloy. 2009a). Pada hal SiC sendiri mempunyai nilai koefisien ekspansi termal pada rentang suhu pengukuran temperatur kamar sampai 700 oC adalah sebesar 4,02 x 10-6 oC -1 (Hexoloy. 2009d) ; Hashim, J. 1999.
IV. 4. 4.Kuat Tekan (Compresive Strength)
Hasil pengamatan kuat tekan dari material komposit Al-SiC yang dibuat dari serbuk Al alloy (Al alloy A 356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi komposisi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % SiC, diperlihatkan seperti pada gambar IV. 4. Nilai kuat tekan dari material komposit Al-SiC tanpa penambahan SiC dengan suhu sintering 500 – 650 oC adalah berkisar antara 98 – 103 MPa, sedangkan untuk suhu 700 oC sampel A356.2 telah melebur (melt). Untuk komposisi 2 % SiC, rentang suhu sintering 500 – 700 oC, nilai kuat tekan yang diperoleh, yaitu: antara 100,4 – 125,7 MPa. Sedangkan pada komposisi: 5, 10, dan 15 % SiC, dengan rentang suhu sintering 500 – 700 oC, masing-masing diperoleh nilai kuat tekan sebesar: 106,4 – 135,5; 112,6
– 146,4; dan 120,6 – 156,7 MPa. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa kondisi optimum diperoleh pada komposisi 15 % SiC dan suhu sintering 650 oC, yaitu menghasilkan kuat tekan sebesar 156,7 MPa.
Gambar IV. 4. Hubungan antara suhu sintering terhadap kuat tekan dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC.
Berdasarkan (Mondal, B, 2007), nilai kuat tekan matriks aluminium (A 356) berpenguat SiCp (partikel SiC) adalah 160 MPa dengan perlakuan panas komposit. Ia juga menyimpulkan bahwa paduan antara Al-alloy (A 356) dengan 10 – 15 % SiC dapat digunakan sebagai komponen automotif, seperti: gear cover, strainer cover dan cylinder head. Pendapatnya juga telah memperkuat tentang adanya keterbatasan,
apabila hanya menggunakan sebatas aluminium (A 356) maka kuat tekannya hanya 100 MPa (Mondal, B, 2007). Sedangkan pada data sheet paduan A 356.0 - T 71, 0,45 % besi, dan mangan tidak lebih sedikit dari 1,5 % besi akan menghasilkan kuat tekan sebesar 150 MPa (MatWeb. 2009e).
IV. 4. 5.Kuat Tarik
Hasil pengamatan kuat tarik dari material komposit Al-SiC yang dibuat dari serbuk Al alloy (A356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi komposisi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % SiC, diperlihatkan seperti pada gambar IV.5. Secara umum dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa dengan penambahan komposisi SiC dan peningkatan suhu sintering maka cenderung meningkatkan nilai kuat tarik.
Sumber : (Olivier,B.,2002)
Gambar IV. 5. Hubungan antara suhu sintering terhadap kuat tarik dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC
Nilai kuat tarik dari material komposit Al-SiC tanpa penambahan SiC dengan suhu sintering 500 – 650 oC adalah berkisar antara 95,4 – 154,76 MPa, sedangkan untuk suhu 700 oC sampel A356.2 telah melebur (melt). Untuk komposisi 2 % SiC, rentang suhu sintering 500 – 700 oC, nilai kuat tarik yang diperoleh yaitu antara 115 – 174 MPa. Sedangkan pada komposisi 5 % SiC, 10 % SiC, dan 15 % SiC, dengan rentang suhu sintering 500 – 700 oC, masing-masing diperoleh nilai kuat tarik sebesar: 176 – 208; 238,16 – 340,08; dan 283,01 – 350 MPa. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa kondisi optimum diperoleh pada komposisi 15 % SiC dan suhu sintering 650 oC, yaitu sebesar 350 MPa.
Berdasarkan (Olivier,B.,2002), nilai kuat tarik matrik aluminium berpenguat SiCp (partikel SiC) adalah berkisar antara 300 – 450 MPa. Pada paduan aluminium dengan 4 % magnesium mempunyai kuat tarik diatas 30 kgf/mm2 atau sama dengan 294 MPa (Purnomo, 2004). Pada sistem Al-SiC dengan ukuran partikel 20 μm dan porositas < 1 % volume adalah berkisar 300 MPa (Aqida, S.N., et. all.,2004). Sifat
mekanik paduan aluminium A356.2 dengan penambahan 1,2 % berat Mn (mangan) menghasilkan kuat tarik sebesar 31,58 kg/mm2 equivalen dengan 309,5 MPa (Arino Anzip dan Suharyanto,2006). Sedangkan nilai kuat tarik dari A356.2 sebagai monolitik adalah sekitar 160 - 172 MPa (Arino Anzip dan Suharyanto 2006 ; MatWeb. 2009e).
IV. 4. 6. Kuat Patah (Bending Strength)
Hasil pengamatan kuat patah dari material komposit Al-SiC yang dibuat dari serbuk Al alloy (A 356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi komposisi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % SiC, diperlihatkan seperti pada gambar IV. 6. Dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa dengan penambahan SiC dan suhu sintering cenderung meningkatkan kuat patah, kecuali pada suhu 700 oC terjadi penurunan. Nilai kuat patah dari material komposit Al-SiC tanpa penambahan SiC diperoleh berkisar antara 235,6 – 315,3 MPa. Pada kurva tersebut terlihat bahwa nilai kuat patah sebagai fungsi suhu cenderung naik sampai suhu 650 oC dan pada suhu 700 oC sampel A356.2 telah melebur (melt), sehingga tidak dilakukan pengukuran.
Untuk komposisi 2 % SiC pada rentang suhu sintering 500 – 650 oC, nilai kuat patah cenderung naik, yaitu berkisar antara 267,2 – 346,2 MPa, dan apabila suhunya dinaikkan 700 oC maka kuat patah turun menjadi 240,05 MPa. Pada komposisi 5 %
SiC, suhu 500 – 650 oC diperoleh kuat patah 284,6 – 388,73 MPa, dan pada suhu 700 o
C maka kuat patah turun menjadi 289,15 MPa.
Gambar IV. 6. Hubungan antara suhu sintering terhadap kuat patah dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC.
Untuk 10 % SiC pada suhu pembakaran 500 – 650 oC, diperoleh nilai kuat patah 312,6 – 428,5 MPa dan pada suhu 700 oC maka kuat patah turun menjadi 318,32 MPa. Sedangkan pada 15 % SiC pada suhu pembakaran 500 – 650 oC, diperoleh kuat patah 324,8 – 446,4 MPa dan pada suhu 700 oC maka kuat patah turun menjadi 326,33 MPa. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa kondisi optimum (terbaik) diperoleh pada komposisi 15 % SiC dan suhu sintering 650 oC, yaitu sebesar 446,4 MPa. Sedangkan nilai kuat patah dari A356.2 adalah sebesar 210 MPa (MatWeb. 2009e).
Berdasarkan data sheet AlSiC (Alsic. 2009b), untuk perbandingan Al alloy : SiC (electronic grade) = 37 : 63, 45 : 55 dan 63 : 37 % volume, diperoleh kuat patah masing-masing sebesar 488, 450 dan 471 MPa. Sedangkan produk lain (Hexoloy. 2009d), kuat patah dengan empat titik tumpu adalah sebesar 380 MPa dan tiga titik tumpu sebesar 550 MPa.
IV. 4. 7. Kekerasan (Vickers Hardness Test)
Hasil pengamatan kekerasan, Hv dari material komposit Al-SiC yang dibuat dari serbuk Al alloy (A356.2) dan serbuk SiC (50 nm), dengan variasi komposisi: 0, 2, 5, 10, dan 15 % SiC, diperlihatkan seperti pada gambar IV.7. Dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa kenaikan suhu dan penambahan prosentasi SiC cenderung meningkatkan nilai kekerasan, Hv material komposit Al-SiC.
Dari gambar IV.7 terlihat bahwa tanpa penambahan SiC, nilai kekerasan, Hv yang diperoleh berkisar antara 55 – 69,8 kgf/mm2. Pada kurva tersebut terlihat bahwa nilai kekerasan, Hv sebagai fungsi suhu cenderung naik sampai suhu 650 oC dan pada suhu 700 oC sampel A356.2 telah melebur (melt) dan tidak dilakukan pengukuran. Untuk 2 % SiC nilai kekerasan, Hv = 66,42 – 74,53 kgf/mm2, 5 % SiC = 71,71 – 80,3 kgf/mm2, 10 % SiC = 74,25 – 81,7 kgf/mm2 dan 15 % SiC = 77,33 – 83,15 kgf/mm2. Dari hasil tersebut secara umum dapat dinyatakan bahwa korelasi suhu sintering dan komposisi SiC terhadap kekerasan, Hv adalah berbanding lurus (linear), dengan
kondisi optimum diperoleh pada penambahan 15 % SiC dan suhu pembakaran 650 o
C.
Gambar IV. 7. Hubungan antara suhu sintering terhadap kekerasan, Hv dari material komposit Al-SiC dengan variasi aditif SiC.
Berdasarkan sumber (Arino Anzip dan Suharyanto, 2006), bahwa nilai kekerasan aluminiun A356.2 dengan penambahan mangan (Mn) akan menghasilkan penambahan nilai kekerasan yaitu sekitar 75 - 97 Hv. Nilai ini merupakan batas minimum untuk aplikasi sebagai material velg racing dalam aplikasi otomotif kelas 3000 cc. Hasil penelitian lanjutan dengan perlakuan panas kondisi T6 dengan kandungan 1,2 % massa Mn, nilai kekerasan yang diperoleh meningkat menjadi 90,74 Hv. Sedangkan untuk beta silikon karbida ( -SiC) (Alphamaterials.
2008),sebagai monolitik memiliki nilai kekerasan yaitu sekitar 9,5 – 9,75 skala kekerasan Moh’s ekivalen dengan 2500 - 2900 skala Vicker’s hardness, Hv (2500 - 2900 kgf/mm2). Kekerasan komposit matriks aluminium - 40 % SiC diameter < 20
μm dengan suhu sintering 550 oC, menghasilkan kekerasan sebesar 90,3 Hv (Jamaliah Idris, et. all., 2003). Sedangkan produk lain dari SiC (Hexoloy. 2009d), mempunyai kekerasan (Knoop Hardness) sebesar 2800 kg/mm2 atau sekitar 280 kgf/mm2. Pembuatan material komposit berbasis Al-alloy (A356.2) dengan 15 % SiCp dengan kondisi pengontrolan atmosfir, menghasilkan nilai kekerasan sebesar 152 VHN atau ekivalen 152 kgf/mm2.
IV. 4. 8. Analisa Struktur Mikro
Analisa struktur mikro dari material komposit Al-SiC yang dilakukan antara lain: identifikasi komponen melalui analisa X-Ray Diffraction (XRD), pengamatan ukuran dan bentuk partikel melalui observasi dengan Scanning Electron Microscope (SEM). Pola difraksi sinar X untuk sampel dengan komposisi: 5, 10 dan 15 % SiC yang telah disintering pada suhu 650 oC, seperti diperlihatkan pada gambar IV.8. Sedangkan pengamatan SEM, untuk ukuran dan bentuk partikel dengan komposisi: 5,10, dan 15 % SiC pada suhu 650 0C diperlihatkan pada gambar IV.9, (halaman 62).
Gambar IV. 8. Pola difraksi sinar-X (XRD) dari material komposit Al-SiC dengan variasi komposisi: 5, 10, dan 15 % SiC pada suhu sintering 650 0C.
Dari hasil analisa difraksi sinar-X (XRD) untuk ketiga sampel uji, yaitu: 5, 10, dan 15 % SiC yang telah disintering pada suhu 650 oC ternyata memiliki pola difraksi
θ
yang sama. Komponen mayor (dominan) yang terbentuk adalah Al, sedangkan komponen minor adalah SiC. Tidak terlihat adanya komponen baru lainnya, hal ini berarti antara Al dan SiC tidak terjadi reaksi, tetapi seperti halnya yang diharapkan dalam proses fabrikasi komposit matriks logam antara komponen Al sebagai matriks dan komponen SiC sebagai pengisi (filler) yaitu terjadi saling mengisi antar partikel saja (interstisi).
Beta silicon carbide ( -SiC) yang dianalisa dengan X Ray Diffraction mempunyai sistem kristalografi kubik dengan space group F43m (216), sumber: (Alphamaterials. 2008. Alpha silicon carbide (α-SiC) umumnya mempunyai komponen polymorph dan terbentuk pada suhu 2000 oC dan mempunyai struktur kristal heksagonal (mirip Wurtzite), sumber: (Wikipedia. 2009h). Beberapa penelitian sebelumnya (Zhongliang Shi,et.all 2001), dalam pembuatan komposit Al/SiC dengan komposisi SiC diatas 20 %, terkadang terbentuk komponen Al4C3 yang merupakan reaksi sampingan yang tidak diharapkan antara Al dengan SiC.
Selama proses sintering kemungkinan terjadi reaksi sebagai berikut: 4Al + SiC3 Al4C3 + Si. Komponen Al4C3 tersebut memiliki kelemahan, yaitu: bersifat mudah larut dalam uap panas, sehingga metal komposit Al/SiC mudah terkorosi (degradasi). Bila Al4C3 tidak terbentuk dalam proses fabrikasi komposit matriks
logam maka hal tersebut berarti ketahanan korosi atau proses fabrikasi dari komposit Al/SiC akan bersifat jauh lebih baik terhadap ketahanan pengaruh lingkungan.
Pada gambar IV. 9, ditunjukkan hasil foto Scanning Electron Microscopy (SEM) dari material komposit Al-SiC dengan variasi komposisi: 5, 10, dan 15 % SiC pada suhu sintering 650 oC. Dari hasil observasi foto-foto SEM pada gambar IV.9 diperlihatkan bahwa telah terbentuk struktur mikro yang cukup homogen, di mana butiran Al berwarna putih (terang) dan butiran SiC berwarna abu-abu (gelap) menyebar secara merata. Pada foto SEM terlihat bahwa bentuk partikel tidak homogen dengan besaran butiran Al sekitar 500 – 1000 nm dan SiC sekitar 50 nm sampai 10 nm yang terletak diantara butiran Al. Jadi selama proses sintering terjadi pertumbuhan butir sehingga terjadi pembesaran ukuran partikel SiC.
Gambar IV.9. Foto SEM dari material komposit Al-SiC dengan variasi komposit: 5,10, dan 15 % SiC pada suhu sintering 650 0C
Beberapa mikropori terbentuk diantara butiran yang diberi tanda merah pada foto SEM dengan ukuran < 1μm. Material komposit ini jelas menunjukkan tidak adanya reaksi dan masing-masing material saling berperan sebagai pengisi (filler) adalah SiC dan matriksnya adalah aluminium. Adanya paduan maka kelemahan material logam (aluminum) akan diimbangi oleh keramik SiC dan berlaku juga hubungan sebaliknya. Penguatan material logam Al dengan subsitusi material keramik SiC sehingga terjadi peningkatan sifat mekanik, termal dan fisis pada umumnya. Senyawa SiC ini cenderung tidak menimbulkan terjadinya oksidasi pada
material dasar aluminium. Kelebihannya mudah berikatan, sehingga relatif lebih tahan terhadap peruhahan suhu tinggi (thermal shock resistance), begitu pula terhadap gesekan sehingga sangat cocok untuk kampas rem.
Berdasarkan pengamatan struktur mikronya menunjukkan bahwa material komposit Al-SiC dengan variasi komposisi 15 % SiC dan suhu sintering 650 oC adalah suatu kondisi terbaik dan layak untuk dikaji dalam penerapan untuk pabrikasinya skala industri kecil (home industry). Hal ini perlu dipertimbangkan, mengingat potensi bahan baku mineral bauksit sebagai sumber aluminium cukup berlimpah di Indonesia. Begitu pula halnya SiC dapat diolah dari sekam padi atau pasir silika sebagai sumber Si dan arang batok kelapa sebagai sumber karbon.
BAB V