Abstrak - Secara komersial paduan magnesium sudah dikembangkan dengan berbagai jenis seperti WE43 yang terdiri dari Mg-Al-Y memiliki ketahanan kekerasan pada temperatur 120oC. Untuk memenuhi standar engine block tidak dapat terpenuhi. Pada penelitian ini telah dilakukan sintesa pada Mg5Al-xY (x:0.5;1;1.5;3) dengan metode peleburan pada temperatur 720oC, waktu holding 60 menit.
Kemudian dilanjutkan pengujian XRD menghasilkan fasa-fasa yang terbentuk α-Mg, Mg17Al12 dan Al2Y. Pengujian optik strukturmikro memperlihatkan bentuk strukturmikro masing- masing fasa. Sehingga mempengaruhi nilai kekerasan pada paduan ini. Nilai kekerasan paduan Mg5Al, Mg5Al-0.5Y, Mg5Al-Y, Mg5Al-1.5Y dan Mg5Al-3Y sebesar 54.83 HB, 55.51 HB, 65.0 HB, 66.4HB dan 67.2 HB. Penambahan Yttrium dapat mengurangi nilai koefisien termal (25oC-198oC) pada paduan Mg5Al-1Y dan Mg5Al-1.5Y memiliki nilai sebesar 25.81 ppmoC dan 22.61 ppmoC.
Kata Kunci - Mg-5%Al-xY (x:0.5;1;1.5), Conventional Melting
I. PENDAHULUAN
I ERA modern dengan perkembangan teknologi otomotif yang maju membuat mobilitas manusia menjadi semakin tinggi. Sehingga menyebabkan kebutuhan akan komponen-komponen transportasi yang nyaman dan efisien, sebagai contoh kendaraan yang irit bahan bakar terutama bahan bakar dari bensin dan ramah lingkungan.
Di Indonesia, pada umumnya banyak sekali menggunakan kendaraan pribadi sebagai penunjang untuk melakukan kegiatan, seperti untuk bekerja, berbisnis, sekolah, hiburan, dan lain-lain. Menurut Badan Pusat Statistik (BPS) (2013), menyatakan pengguna kendaraan bermotor di Indonesia yang
sebesar 76,381 juta unit. Banyak penggunaan kendaraan pribadi yang tidak sebanding dengan pasokan energi seperti bahan bakar bensin dan semacamnya yang sewaktu-waktu akan habis. Sehingga pemerintah berupaya untuk meningkatkan efisiensi energi terutama energi pendukung pada kendaraan.
Dalam hal ini, langkah strategi yang efisien adalah dengan menurunkan berat struktur komponen-komponen dan mesin penggeraknya. Dengan cara pengembangan material ringan berbasis Magnesium (Mg) dan Aluminium (Al) sebagai pengganti baja dan besi cor pada komponen-komponen kendaraan bermotor. Menurut Ti Jun Chen,(2011), Paduan Magnesium (Mg) adalah salah satu bahan struktural ringan, dengan densitas ~1.80 g/cm3. Paduan magnesium memiliki 30% lebih ringan dibandingkan dengan Aluminium (Al) dan 70% lebih ringan daripada besi. Aplikasi paduan magnesium dapat meningkat jika kekuatan dan kemampuan cor ditingkatkan. Paduan magnesium mempunyai keunggulan pada densitas rendah, redaman vibrasi yang baik, pelindung elektromagnetik yang baik, kemampuan mesin yang baik, stabilitas dimensi dan memiliki potensi ketersedian yang banyak di kerak bumi dan laut (Song Changjiang, 2009).
Karena keunggulan sifatnya, banyak industri manufaktur otomotif mengembangkan paduan Magnesium untuk aplikasi gear box, piston, pedal, dashboard, framing of doors, dan lain- lain.
Pada padaun Mg-5%Al ini akan ditambahakan material tanah jarang yaitu Yttrium (Y). Menurut penelitian Arun Bobby, (2013), Unsur Yttrium lebih menguntungkan dibandingkan dengan unsur tanah jarang yang lain.
Dikarenakan Y dan Mg mempunyai struktur HCP. Kisi Y dengan Mg hampir sama-sama mendekati (Y.a:0.36500. c:
0.57410 nm dan r: 0.182 nm; Mg. a: 0.32094, c:0.52104 nm dan 0.162nm). Karena Y bertindak sebagai pusat nukleasi hetero pada matriks α-Mg. dapat meningkatkan kekuatan tarik dan mengurangi sifat porosity pada pengecoran (Arun Boby, 2013). Menurut Saher Al Shakhshir (2005), menyatakan paduan material Mg-Al-Y merupakan pengembangan paduan magnesium yang baru. Penambahan Aluminium sangat penting di paduan ini, karena dapat meningkatkan kekuatan pada temperatur lingkungan, ketahanan korosi dan castability
PENGARUH UNSUR YTTRIUM PADA PADUAN Mg5Al TERHADAP MIKROSTRUKTUR, KEKERASAN DAN STABILITAS THERMAL
Risyad Heryudanto dan Sutarsis
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Kampus ITS, Keputih, Surabaya 60111 E-mail:sutarsis@mat-eng.its.ac.id
D
pada paduan ini. Penambahan Yttrium yang merupakan material tanah jarang dapat mempengaruhi peningkatan kekuatan paduan dalam keadaan temperature tinggi. Seperti paduan WE43 (Mg-Al-Y) yang memiliki ketahanan pembakaran sekitar 690oC, dapat diperlakuan panas, sifat mekanik yang baik pada temperatur diatas 250oC, dapat dilas dan ketahan korosi yang baik. Menurut Tomasz Rzychon (2009), pengembangan material paduan magnesium yang baru yaitu series AE42 (Mg-4Al-2RE) yang memiliki ketahanan creep yang baik, sifat mekanik dan ketahanan korosi yang lebih baik.
Oleh sebab itu, pada penelitian ini akan dilakukan modifikasi paduan Mg-5%Al-Y dengan variasi komposisi pada unsur yttrium yang merupakan logam langka sebagai unsur tambahan yang akan mendukung sifat pada material berbasis magnesium.
.
II. METODOLOGIPENELITIAN
Paduan Mg5Al dan paduan Mg5Al-xY (x:0.5;1;1.5 dan 3)% yang disiapkan dalam bentuk bongkahan magnesium, serbuk Aluminium dan serbuk Yttrium. Melakukan komposisi terhadap ketiga material didalam satu crucible berbahan stainless steel. Setelah itu, melakukan perhitungan komposisi material Magnesium dan Aluminium untuk menjadi paduan Mg5Al. Paduan tersebut dileburkan dengan menggunakan furnace “Conventional Melting” dalam keadaan vakum tanpa oksigen dengan menggunakan gas argon. Sebelum peleburan, dilakukan pemberian gas argon selama 15menit di furnace.
Paduan Mg5Al dileburkan pada temperature 720oC dengan penahanan waktu homogenisasi 60 menit. Kemudian dilakukan pendinginan lambat didalam furnace sampai menyentuh temperatur kamar. Setelah peleburan terjadi sehingga menghasilkan paduan Mg5Al dilakukan penambahan unsur Yttrium dengan variasi kadar persen sebesar 0.5%, 1%,1.5% dan 3% ditunjukkan komposisi kimia pada semua paduan pada tabel 1.
Tabel 1.
Komposisi Kimia pada Paduan (gram) Raw
Material
Berat (gr) Wt Y
% gr
Mg5Al 14.925 0.5 0.3354
Mg5Al 14.85 1 0.67
Mg5Al 14.775 1.5 1.0062
Mg5Al 14.55 3 2.0124
Strukturmikro pada paduan diamati dengan optik metalografi setelah dilakukan polishing dan dietsa yang menggunakan larutan asam picric dengan campuran alcohol 98%. Fasa pada paduan dikarakterisasi dengan menggunakan pengujian X-ray Diffraction (XRD). Nilai kekerasa pada material ini menggunakan pengujian kekerasan menggunakan metode brinell dengan menngunakan indentor berbentuk bola yang memiliki lingkar diameter sebesar 2.5mm dan pembebanan 62.5kg dan mengukur temperatur pemuaian dengan menggunakan pengujian Thermo Mechanical Analysis (TMA).
I. HASILDANDISKUSI A. Pengujian X-ray Diffraction (XRD)
Pada penelitian ini, menguji paduan material Mg5Al dengan penambahan unsur Yttrium (Y) sebesar 0.5%, 1%, 1.5% dan 3%. Kemudian paduan material ini dilakukan pengujian X-ray Diffraction (XRD). Pengujian XRD pada material dasar Mg-Al menghasilkan beberapa puncak yang memberikan informasi fasa-fasa yang terdapat pada paduan tersebut. Menurut Ahmed A.Moosa (2011), secara detail pengaruh penambahan material tanah jarang di paduan magnesium (Mg) dapat bereaksi menghasilkan fasa-fasa yang mempengaruhi sifat mekanik pada material tersebut. Fasa-fasa yang bereaksi pada paduan Mg-Al yaitu α-Mg, Mg17Al12 dan Al2Y. Fasa Al2Y merupakan senyawa. Menurut Ren Wenliang (2009), menyatakan perbedaan elektro negativitas pada dua unsur yang digunakan untuk memprediksi kemungkinan pembentukkan senyawa metalik. Perbedaan elektron negativitas lebih besar, kesamaan nilai sifat kekuatan dan lebih tinggi kemungkinan untuk membentuk senyawa metalik. Hal ini dapat dilihat dari perbedaan elekro negativitas antara Aluminium (Al) yang memiliki nilai elektro negativitas sebesar 1.5 dan Yttrium (Y) yang memiliki nilai elektro negativitas sebesar 1.2 ini lebih besar daripada antara Magnesium (Mg) yang memiliki nilai elektro negativitas sebesar 1.3 dan Y.
Dapat dilihat Gambar 1, terdapat puncak paling tinggi diposisi 2θ yaitu 36.6183 menunjukkan fasa α-Mg lebih banyak dibandingakan fasa Mg17Al12. Dari kelima grafik paduan Mg 5Al xY memiliki bentuk grafik dan posisi puncak yang sama hanya yang berbeda adalah fasa-fasa pada setiap material. Pada gambar 1 memperlihatkan postur grafik pada masing-masing paduan Mg 5Al yang dilakukan penambahan unsur Yttrium (0.5;1;1.5 dan 3)%wt. Sehingga dapat menentukan terjadi perubahan fasa-fasa di satu posisi di masing-masing paduan Mg 5Al. Dapat dilihat paduan semakin banyak penambahan unsur Yttrium (Y) semakin mempengaruhi terjadinya perubahan fasa-fasa menjadi fasa Al2Y. Pada fasa Mg17Al12 lebih banyak berada dipaduan Mg 5Al 0.5Y. Menurut Ren Wenliang (2009), menyatakan fasa Mg17Al12 merupakan fasa penguat, tetapi memiliki stabilitas termal pada fasa Mg17Al12 (dengan titik leleh 437oC) yang rendah. Selama fasa Mg17Al12 sebagian besar distribusi di batas butir menyebabkan perlemahan batas butir terhadap
batas butir. Hal ini menjadikan faktor kunci perhitungan pada ketahanan pemanasan.
Gambar 1. Grafik XRD paduan Mg 5Al, Mg 5Al 0.5Y, Mg 5Al 1Y, Mg 5Al 1.5Y dan Mg 5Al 3Y
Fasa Mg17Al12 pada paduan Mg 5Al 1Y masih terdapat fasa Mg17Al12 lebih sedikit dibandingkan fasa Al2Y. Pada paduan Mg 5Al 1.5Y dan Mg 5Al 3Y fasa Al2Y lebih banyak dibandingkan fasa Mg17Al12. Pada gambar 1 posisi 2θ sebesar 57.4882 dipaduan Mg5Al fasa yang terbentuk α-Mg dengan posisi yang sama dipaduan Mg5Al-0.5Y fase berubah menjadi Mg17Al12 dan pada posisi yang sama di paduan Mg5Al-xY (x: 1;1.5 dan 3)% berubaha menjadi fasa Al2Y. Hal ini disebabkan penambahan Ytrrium (Y) sebagai larutan penguatan, penyebaran penguatan dari fasa Al2Y dan dapat mengurangi fasa Mg17Al12. Fasa Al2Y memiliki titik leleh tinggi yang berada dibatas butir memiliki stabilitas termal lebih tinggi daripada fasa Mg17Al12, yang pada gilirannya penstabil pada lingkungan butir-butir.
B. Struktur Mikro
Setelah melihat fasa-fasa yang terjadi pada setiap paduan material Mg5Al dan Mg5Al-xY (x:0.5;1;1.5 dan 3)% didata XRD. Kemudian dilakukan strukturmikro optic untuk mengetahui bentuk-bentuk pada setiap fasa yang sudah dijabarkan pada data –data XRD. Sehingga didapatkan gambar-gambar dengan perbesaran yang sudah ditentukan.
Gambar 2. Strukturmikro Mg5Al
Gambar 3. Strukturmikro (A) Mg5Al-0.5%Y, (B) Mg5Al- 1%Y, (C) Mg5Al-1.5%Y, (D) Mg5Al-3%Y.
Gambar 3 menunjukkan letak dan besar atau kecilnya suatu bentuk fasa pada paduan Mg5Al dengan penambahan Yttrium
A B
D C
(Y). Pada Material dasar Mg5Al memiliki bentuk strukturmikro yang terdapat daerah primer merupakan fasa α- Mg dan terdapat batas butir yang berwarna putih menunjukkan fasa Mg17Al12. Kedua fasa ini sesuai dengan diagram Al-Mg binary. Setelah dilakukan penambahan Yttrium pada paduan Mg5Al mengakibatkan terjadinya pembentukkan fasa baru yaitu Al2Y. dapat dilihat pada Gambar 2 dimana paduan Mg5Al-xY (x: 0.5;1;1.5 dan3)% terdapat fasa-fasa Al2Y semakin banyak dan fasa Mg17Al12 semakin berkurang.
Menurut X.Tian (2007), menyatakan kedua fasa ini Mg17Al12
dan Al2Y disebabkan tingginya stabilitas kimia pada senyawa Al2Y, kombinasi material tanah jarang (RE) dengan aluminium (Al) dan membentuk senyawa Al2Y tanpa setiap pembentukkan pseudobinari fasa Mg-RE atau pseudoternari fasa Mg-Al-RE sampai semua RE yang tersedia digunakan.
Dapat ditemukan terdapat dua fasa intermetalik dengan dua bentuk yang berbeda pada paduan, cabangnya seperti fasa basilari dan fasa particle yang berbentuk polygon persipitasi yang berdampingan selama batas butir. Dapat dijelaskan fasa partikel berbentuk polygon yaitu senyawa Al2Y. Fasa Mg17Al12 dapat memperhalus ukuran dan mendistribusi didaerah batas butir. Pembentukkan fasa Al2Y dapat berkontribusi untuk penghalusan butir. Disetiap paduan kecual material dasar Mg5Al terdapat chinese script yang disebabkan ketika komposis eutektik dipadatkan, kedua fasa padat α dan β dapat berkumpul di nukleasi butir sampai semuanya yang awalnya cairan berubah menjadi padat. Sehingga membentuk pada strukturmikro yang berbentuk satu fasa didalam matriks fasa lain atau berbentuk layer.
C. Pengujian Kekerasan
Setelah pengujian XRD dan mikrostruktur optik dilakukan pengujian kekerasan pada setiapa material Mg5Al dan Mg5Al- xY (x:0.5,1,1.5 dan 3) dimulai dengan melakukan untuk membentuk suatu bongkahan berbentuk balok yang memiliki permukaan datar pada bagian atas dan bawah. Setelah dilakukakn preparasi, masing-masing spesimen dilakukan uji kekerasan dengan menggunakan metode brinell dengan menggunakan indentor berbentuk bola yang memiliki ukuran 2,5mm dan pembebanan 62.5kg. Masing-masing spesimen diambil tujuh titik yang diawali dengan daerah bagian tepi sampai daerah bagian tengah. Kemudian masing-masing material menghasilkan nilai-nilai kekerasan pada setiap titik- titik pada paduan material tersebut.
Sehingga dari data-data hasil pengujian masing-masing material paduan diambil rata-rata sehingga menghasilkan nilai kekerasan yang berbeda. Dapat dilihat di tabel 4.1, pada paduan material dasar Mg-Al memiliki nilai kekerasan sebesar 54.83 HB. Untuk paduan material Mg-5Al-0.5Y memiliki nilai material sebesar 55.51 HB, paduan material Mg-5Al-1Y memiliki nilai kekerasan sebesar 65.0 HB, paduan material Mg-5Al-1.5Y memiliki nilai kekerasan sebesar 66.4 HB dan paduan material Mg-5Al-3Y memiliki nilai kekerasan sebesar 67.20 HB. Semakin penambahan Yttrium pada paduan Mg5Al meningkatkan nilai kekerasan pada material tersebut yang disebabkan dari keuntungan penambahan Yttrium yang
mengakibatkan adanya penambahan sifat mekanik, kekerasan yang meningkat ditemperatur tinggi dan terbentuknya fasa Al2Y yang memiliki keunggulan kestabilan termal pada temperature tinggi. Mengakibatkan penurunan jumlah fasa Mg17Al12.
Menurut Saher Al Shakhshir, 2005. Menjelaskan pengaruh paduan Mg dengan penambahan unsur Yttrium (Y) dapat meningkatkan kekerasan secara signifikan. Pada pengujian ini paduan yang memiliki nilai kekerasan tertinggi sebesar 67.20 HB. Standar nilai kekerasan pada engine block komerisial yang terbuat dari paduan aluminium sebesar 75 HB.
Gambar 3. Grafik nilai kekerasan pada paduan Mg-Al dengan penambahan unsur Yttrium (0.5;1;1.5;3.
D. Pengujian Thermo Mechanical Analysis (TMA)
(A)
(B)
(C)
Gambar 4. Grafik TMA (A) Mg5Al-1Y, (B) Mg5Al-1.5Y, (C) Mg5Al-3Y
Kemudian dilakukan pengujian Thermo Mechanical Analysis (TMA) merupakan pengujian yang dilakukan untuk mengetahui pemuaian pada material yang diuji dengan menentukan tingkat pemanasannya. Pengujian ini diuji pada tiga spesimen yang memiliki nilai kekerasan yang tinggi.
Setelah dilakukan pengujian, menghasilkan data yang menyatakan nilai pemuaian spesimen. Dapat dilihat pada tabel 4.2, pada sekitar temperatur 198oC, nilai keofisien termal eksapansi pada paduan Mg5Al-1%Y sebesar 25.81 ppmoC, paduan Mg5Al-1.5%Y sebesar 22.61 ppmoC dan paduan Mg5Al-3%Y sebesar 43.97 ppmoC. Sehingga nilai koefisien ekspansi yang paling kecil ialah pada paduan Mg5Al-1.5%Y nilai pemuaian pada temperatur tinggi sekitar 198oC sebesar 22.61 ppmoC.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dengan penambahan unsur Yttrium pada Mg5Al menghasilkan penambahan fasa baru yaitu Al2Y
Semakin banyaknya penambahan Yttrium pada Mg5Al yaitu Mg5Al-0.5Y, Mg5Al-1Y, Mg5Al-1.5Y dan Mg5Al-3Y dapat menunjukkan fasa Al2Y semakin bertambah dengan bentuk spherical yang terbentuk didalam batas butir. Sehingga dapat menurunkan jumlah fasa Mg17Al12
Penambahan fasa Al2Y dapat ditunjukkan pada nilai kekerasan pada masing-masing paduan Mg5Al sebesar 54.83 HB, sedangkan Mg5Al-0.5Y, Mg5Al- 1Y, Mg5Al-1.5Y dan Mg5Al-3Y. sebesar 55.51 HB, 65 HB, 66.4 HB, 67.2 HB. Dan mempengaruhi koefisien thermal (25oC-198oC) pada Mg5Al-1Y, Mg5Al-1.5Y dan Mg5Al-3Y sebesar 25.81 ppmoC, 22.61oC, dan 43.97 ppmoC.
DAFTARPUSTAKA
Boby, Arun. Effect of Antimony and Yttrium Addition on the High Temperature Properties of AZ91 Magnesium Alloy. Procedia Engineering.2013
Gupta Manoj, Sharon Nai Mui Ling. Magnesium, Magnesium Alloys and Magnesium composite. Wiley VCH: New Jersey, 2011.
K.U. Keiner, Magnesium Alloys and Technologies, Wiley VCH: Weinheim 2003.
M. M. Avedesian and H. Baker (ed.) (1999) ASM Specialty Handbook—Magnesium and Magnesium Alloys.
Materials Park, OH: ASM International.
Moosa,Ahmed. Effect Lanthanum Addition on the Microstructure of Mg-4Al Alloy. Al Khwarizmi Engineering Journal, 2011.
Rzychon, Tomasz. Microstructural Stability and Creep Properties of Die Casting Mg-4Al-4RE Magnesium Alloy. Materials Charactization.2009
Tian, X, Wang.L.M. The Microstructure and Mechanical Properties of Mg-3Al-3RE Alloys.
Journal of Alloys and Compounds.2007.
W. D. Callister. Materials Science and Engineering: An introduction. NewYork: Wiley.2003.
Wenliang, Ren. Effect of Yttrium on Microstructure and Mechanical Properties of Mg-4Al Magnesium Alloy.
China foundary.2010.
