TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Komposit Matrik Logam
Komposit Matrik Logam (KML) adalah kombinasi rekayasa material yang terdiri dari dua atau lebih bahan material (salah satunya logam), dengan berbagai bentuk dan sifat yang dilakukan secara kombinasi dan sistematik pada kandungan-kandungan yang berbeda pada material tersebut sehingga menghasilkan suatu material baru yang memiliki sifat dan karakteristik yang lebih baik dari bahan dasar penyusunnya.
Penelitian dan pengembangan mengenai komposit matrik logam (KML) sudah mulai dilakukan pada tahun 1960-an, akan tetapi masih banyak mengalami kendala karena pembuatan komposit matrik logam memerlukan biaya yang relatif tinggi, minimnya pengembangan tentang pengetahuan tentang komposit matrik logam dan lain-lain. Namun dewasa ini, karena kebutuhan akan suatu material yang memiliki karakteristik yang lebih baik dari bahan konvensional serta perkembangan teknologi rekayasa material yang berkembang sangat pesat, sehingga kendala-kendala yang selama ini ditemukan dalam proses pembuatan komposit matrik logam dapat diatasi terlebih karena didukung oleh ketersedian bahan baku seperti: serat karbon dan boron, kristal whisker dan secara tak langsung oleh keberhasilan komposit matrik polimer.
Industri ruang angkasa (aerospace) dan teknologi pertahanan tertarik dengan prospek material konstruksi jenis komposit matrik logam tersebut, karena memiliki kekuatan, kekakuan, dan spesifik yang tinggi. Berbeda dengan material matrik tanpa penguat dan bahan konvensional, komposit matrik logam diharapkan menjadi suatu material yang tahan terhadap temperatur yang relatif tinggi. Selain itu, dalam konsep pembuatan komposit matrik logam mempunyai prospek yang lebih menjanjikan karena karakteristik bahan yang tahan terhadap suhu tinggi, memiliki batas kelelahan yang baik (fatigue), sifat redaman, daya hantar listrik, kondiktivitas termal, ketahanan terhadap korosi, kekerasan yang cukup baik, memiliki bobot yang ringan, ketahanan aus (wear resistance), dan koefisien muai termal yang lebih baik.
Dewasa ini, pembuatan komposit matrik logam telah dikembangkan dengan menggunakan penguat partikel, dan yang dapat diaplikasikan untuk berbagai industri karena penguat partikel merupakan komposit jenis Discontinous Metal Matrix
Composite’s (DMMC), dan komposit jenis ini sering disebut dengan komposit isotropik yang artinya semua arah penguat memiliki nilai yang sama dan komposit dengan penguat jenis partikel juga mudah diproses. Matrik berbasis logam dengan kerapatan (densitas) yang rendah secara bertahap telah banyak dikembangkan.
Material utama matrik yang umum dikembangkan adalah aluminium, titanium, dan magnesium. Dalam pembuatan komposit matrik logam, yang paling banyak dikembangkan adalah komposit matrik logam berbasis aluminium, dan penguat yang digunakan adalah partikel SiC karena disamping harga bahan baku yang relatif murah juga mudah didapat, sehingga partikel SiC banyak digunakan untuk penguat dalam pembuatan komposit matrik logam. Disamping itu, pembuatan komposit matrik logam juga sering menggunakan penguat alumina.
Paduan Al B = Monofilament SiC atau B C = Serat Karbon Mutu Tinggi
Kekuatan spesifik (MPa)
Modulus spesifik (MPa)
Gambar 2.3 Rentang kekuatan tarik spesifik longitudinal dan modulus spesifik yang dapat dicapai oleh komposit berbasis Aluminium
(Smallman, 1995)
Dari gambar 2.3 dapat dilihat bahwa peningkatan kekuatan tarik spesifik longitudinal dan modulus spesifik yang dialami paduan aluminium yang diperkuat dengan serat, whisker, atau partikel. Perubahan sifat sebesar ini tidak akan mungkin dicapai dengan cara konvensional melalui proses pengembangan paduan. Pada keadaan yang sama seperti terlihat pada gambar 2.3, perubahan tersebut diikuti dengan penambahan biaya dan menonjolnya anisotropi. Pada komposit matrik logam
dengan perbandingan kekuatan secara longitudinal terhadap kekuatan transversal adalah 15 : 1 atau lebih. Meskipun penguatan dengan serat kontiniu dapat meningkatkan kekuatan maksimum satu arah, tetapi kondisi pemakaian sering kali mengikuti tegangan multi-aksial (acak).
Seperti yang telah dijelaskan, bahwa dalam proses pabrikasi (manufacturing) komposit matrik logam, matrik yang paling banyak digunakan adalah logam aluminium karena logam aluminium merupakan suatu material yang memiliki beberapa sifat yang menarik untuk dikembangkan sebagai matrik dalam proses pembuatan komposit matrik logam antara lain: memiliki densitas yang rendah, tahan terhadap korosi, memiliki sifat panas, dan sifat listrik yang baik. Logam aluminium yang biasa digunakan sebagai matrik adalah paduan Al-Si, Al-Cu, 2XXX, dan 6XXX.
Komposit matrik aluminium biasanya menggunakan penguat Al2O3, SiC, C akan tetapi SiO2, B, BN, B4C, AlN masih dalam tahap pengembangan dan penelitian, akan tetapi dalam pengembangan dan penelitian penguat yang umumnya digunakan adalah penguat partikel SiC. Pemilihan partikel penguat SiC sebagai bahan pengisi (filler) banyak dikembangkan karena material SiC memiliki beberapa sifat mekanik dan fisis yang baik seperti: memiliki nilai modulus elastistas yang tinggi, kekerasan, ketahanan erosi (wear resistance), dan memiliki nilai koefisien ekspansi termal yang rendah. Jadi dengan menggunakan material aluminium sebagai matrik dan partikel SiC sebagai bahan penguat maka akan mendapatkan suatu material komposit yang memiliki sifat antara getas dan liat, disamping itu juga dihasilkan suatu material komposit yang memiliki sifat mekanik, sifat fisis, dan sifat termal yang baik, serta menghasilkan material yang memiliki bobot rendah dan memiliki umur pemakaian yang lebih lama karena memiliki ketahanan korosi yang baik. Dari tabel 2.1 dapat dilihat beberapa sifat mekanik, fisis, dan termal komposit matrik aluminium.
Tabel 2.1 Beberapa sifat mekanis dan sifat fisis komposit matrik aluminium berpenguat keramik SiCp. (Olivier Beffort, 2002)
Sifat Fisis Satuan
Densitas 2.6 - 3.2 g/cm3
Sifat Mekanik Satuan
Kuat Tarik 300 - 450 MPa
Modulus Elastisitas 180 - 200 Gpa Ketahanan Lelah 10.0 - 25.0 MPa-m½
Sifat Panas Satuan
Koefisien Ekspansi Termal 7 – 20 x 10-6/°C
Konduktivitas Panas 220 W/mK
Dibandingkan dengan logam monolitik, komposit matrik aluminium berpenguat partikel SiC memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
a) Memiliki kekuatan yang lebih tinggi.
b) Memiliki sifat kekakuan yang lebih tinggi.
c) Memiliki ketahanan lelah yang baik.
d) Lebih tahan terhadap suhu yang relatif tinggi.
e) Memiliki koefisien ekspansi termal dan konduktivitas termal yang baik.
f) Umur pemakain lebih lama karena tahan terhadap korosi.
Kelebihan komposit matrik aluminium berpenguat partikel SiC dibandingkan dengan komposit matrik polimer:
a) Ketahanan terhadap suhu yang tinggi.
b) Tahan terhadap api.
c) Memiliki tingkat kekakuan dan kekuatan yang lebih tinggi.
d) Tahan terhadap suhu yang lembab.
e) Memiliki sifat listrik dan sifat termal yang baik.
f) Ketahanan terhadap radiasi.
g) Pembuatan komposit matrik logam yang menggunakan penguat whisker maupun partikel dapat dibuat dengan cara konvensional.
Dalam proses pembuatan komposit matrik logam dengan menggunakan matrik Al dan penguat SiCp, telah dilakukan dan dikembangkan dengan beragam metode, baik untuk komponen siap pakai maupun setengah jadi untuk pemerosesan lebih lanjut (seperti bilet untuk ekstrusi, pengerolan, dan pengempaan) berbagai metode proses pembuatan (manufacturing) komposit matrik logam masih terus dilakukan dalam tahap penelitian di laboratorium atau skala pengembangan industri. Secara umum, metode proses pembuatan komposit matrik logam, meliputi: peleburan logam matrik (proses liquid), pencampuran serbuk (metalurgi serbuk atau solid), atau deposisi uap (vapor deposition). Komposit matrik aluminium berpenguat keramik SiC umumnya diproses dengan metode metalurgi serbuk (Powder Metallurgy), proses pembuatan komposit dengan metode serbuk memiliki tiga tahapan yaitu pencampuran (mixing), penekanan (compaction), dan proses pensinteran (akan dibahas secara rinci pada sub berikutnya, pada proses pabrikasi. komposit logam Al/SiCp). Campuran serbuk matrik logam aluminium dan partikel penguat SiC juga dapat dilakukan dengan cara:
pencampuran mekanik (mechanical alloying), pencampuran partikel dengan logam cair (pengadukan lelehan), pencoran kempa (compachasting), rheocasting, dan spray deposition. (Smallman, 1995)
Pada era 1980-an, komposit matrik aluminium dengan menggunakan penguat tak kontinu telah dikembangakan dan diaplikasikan dibidang transportasi. Komposit matrik logam dengan menggunakan penguat tak kontinu merupakan jenis komposit yang isotropik dan memiliki sifat mekanik yang lebih baik (dibandingkan dengan logam tanpa penguat) dan memiliki harga yang relatif murah (proses pembuatan murah karena penguat tak kontiniu banyak tersedia di alam seperti partikel SiC dan Al2O3).
Gambar 2.4 Beberapa contoh aplikasi komposit matrik logam dalam dunia industri (a) brake rotors for high speed train, (b) automotive breaking systems, (c)
automotive pushrods, and (d) cor for HV electrical wires (Smallman, 1995)
(a) (b) (c) (d)
Gambar 2.4, memperlihatkan beberapa aplikasi dari pengembangan komposit matrik aluminium dengan menggunakan partikel penguat SiC, gambar brake rotors ICE-1 dan ICE-2 dikembangkan oleh Knorr Bremse AG - Jerman dengan menggunakan matrik aluminium (Al) dengan menggunakan partikel penguat (AlSi7Mg + SiCp) yang disuplay oleh Duraclan Inc (USA). Breaking systems yang diproduksi oleh New Lupo from Volkswagen (VW) dengan menggunakan matrik aluminium dengan menggunakan partikel penguat yang disupaly oleh Duraclan.
Komposit matrik aluminium dengan penguat serat kontinu yang dibuat untuk pushrods 3M untuk mesin balap. Pushrods yang dibuat dengan menggunkan komposit aluminium mempunyai bobot yang lebih ringan 40 % bila dibandingkan dengan menggunakan baja, memiliki kekuatan dan kekakuan yang lebih baik, dan ketahanan terhadap suhu yang lembab dan juga pada kabel tegangan tinggi (HV elctrical wires) yang dibuat dengan menggunakan komposit aluminium daripada baja.
2.3 Aluminium
Aluminium merupakan material mineral yang melimpah di permukaan bumi, yaitu sekitar 7,6 %. Dengan jumlah sebesar itu, aluminium merupakan unsur ketiga terbanyak setelah oksigen dan silikon, serta merupakan unsur logam yang paling melimpah. Namun, Aluminium tetap merupakan logam yang mahal karena pengolahannya sukar. Mineral aluminium yang bernilai ekonomis adalah bauksit yang merupakan satu-satunya sumber aluminium. Kriloit digunakan pada peleburan aluminium, sedangkan tanah liat banyak digunakan untuk membuat batu bata dan keramik. Beberapa penggunaan aluminium, antara lain:
a. Sektor industri otomotif, untuk membuat bak truk dan komponen kendaraan bermotor.
b. Untuk membuat badan pesawat terbang.
c. Sektor pembangunan perumahan; untuk kusen pintu dan jendela.
d. Sektor industri makanan, untuk kemasan berbagai jenis produk.
e. Sektor lain, misal untuk kabel listrik, perabotan rumah tangga dan barang kerajinan.
f. Membuat termit, yaitu campuran serbuk aluminium dengan serbuk besi oksida, digunakan untuk mengelas baja in-situ, misalnya untuk menyambung rel kereta api.
Logam aluminium tergolong logam yang ringan dan memiliki massa jenis 2,78 gr/cm3. Sifat-sifat fisis yang dimilki aluminium, antara lain :
a. Ringan, tahan korosi dan tidak beracun maka banyak digunakan untuk alat rumah tangga seperti panci, wajan dan lain-lain.
b. Reflektif, dalam bentuk aluminium foil digunakan sebagai pembungkus makanan, obat, dan rokok.
c. Daya hantar listrik dua kali lebih besar dari Cu, maka Al digunakan sebagai kabel tiang listrik.
d. Paduan Al dengan logam lainnya menghasilkan logam yang kuat seperti duralium (campuran Al, Cu, Mg) untuk pembuatan badan peswat.
e. Al sebagai zat reduktor untuk oksida MnO2 dan Cr2O3
Struktur kristal aluminium murni adalah FCC (Face Centered Cubic). dan aluminium memiliki titik leleh sampai 660 oC (1220 oF). Beberapa sifat mekanis dan sifat fisis dari logam aluminium dapat dilihat pada tabel 2.2 dan pada tabel 2.3 menunjukkan komposisi kimia dari logam aluminium.
Tabel 2.2 Data sheet material Aluminium 2124
(Sumber, up-date Desember 2008, http://www.matweb.com)
Sifat Fisis Satuan Inggris Penjelasan
Densitas 2.78 g/cm3 0.100 lb/in³ Tipe; AA
Sifat Mekanik Satuan Inggris Penjelasan
Modulus Elastisitas 73.0 Gpa 10600 ksi
Rata-rata tegangan
Poissons Ratio 0.330 0.330 Jarak rata-rata logam
Al Alloy.
Modulus Geser 27.0 GPa 3920 ksi Pendekatan dari logam Al Alloy
Sifat Elektrik Satuan Inggris Penjelasan
Resistivitas Listrik 0.00000420 ohm-cm 0.00000420 ohm-cm
Sifat Termal Satuan Inggris Penjelasan
CTE, linear 22.9 µm/m-°C Kapasitas Panas 0.882 J/g-°C 0.211 BTU/lb-°F
Konduktivitas Panas 193 W/m-K 1340 BTU-in/hr-ft²-°F
Titik Leleh 502 - 638 °C 935 - 1180 °F
Table 2.3 Komposisi kimia Aluminium 2124
Element Al Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Ti Other Wt % 92,54 0.2 0.3 4.4 0.6 1.5 0.01 0.1 0.15 0.2