Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 1
Sintesis MMCs Cu-Al
2O
3Melalui Proses Metalurgi Serbuk dengan Variasi Fraksi
Volum Al
2O
3dan Temperatur Sintering
Arfina Fauziati Ruwaida
1, Dr. Widyastuti, S.Si, M.Si
2, Ir Rochman Rochiem, M.Sc
21. Mahasiswa jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS
2. Dosen jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS
Abstrak
Dalam industri pertahanan Cu berperan sangat penting khususnya untuk pembuatan kelongsong peluru. Kelemahannya yaitu porositasnya sulit dikontrol dan merupakan material ulet sehingga mudah terdeformasi. Oleh karena itu dibutuhkan paduan Cu dengan material yang ulet namun sedikit lebih kaku seperti Al2O3 sehingga dihasilkan bahan dengan keuletan tinggi dan keras.
Komposit Cu/Al2O3 merupakan paduan antara Cu sebagai matrik dan Al2O3 sebagai penguat.
Pembuatan komposit ini dilakukan dengan proses metalurgi serbuk agar dapat dilakukan kontrol terhadap ketelitian dan ketepatan prosesnya. Kontrol yang dilakukan adalah variasi fraksi volum penguat Al2O3 yaitu 2, 4, 6 dan 8% dan temperatur sintering yaitu 600, 700 dan 8000C.
Data yang diperoleh menunjukkan, variasi fraksi volume penguat dan temperatur sintering yang menghasilkan modulus elastisitas tertinggi yaitu fraksi volume
2%
Al2O3 dan temperatur sintering6000C, dimana modulus elastisitas yang dihasilkan yaitu E = 334609.7 MPa. Sehingga komposit Cu/
Al2O3 mampu digunakan sebagai bahan alternatif kelongsong peluru
Kata kunci: Cu-Al2O3, fraksi volum, temperatur sintering, modulus elastisitas.
ABSTRACT
Cu in the defense industry plays a very important particularly for the manufacture of bullets. The weakness is porosity is difficult to control and this is a ductile material but a little more rigid like ceramic Al2O3 in order to be produced materials with high tenacity and hard, like ceramic Al2O3.
Composite Cu/ Al2O3 is a combination of matrix Cu and Al2O3 as reinforcement. Composite
Cu/Al2O3 is done by powder metallurgy process that can be controled the accuracy and precision of the
process.. Composite throught controlled matrix-reinforcement that the reinforcement Al2O3 is variated by
10, 20, 30 and 40% and the sintering temperature veriated 600, 700 and 8000C
The result from compaction test of the fraction volume of reinforcement and the sintering temperature that give the highest young modulus of reinforcement is the 2% fraction volume of Al2O3 and
8000C sintering temperature, where the young modulus is E = 334609.7 Mpa. So the Cu/ Al
2O3 composite
can be used as shell material.
Keywords: Cu- Al2O3, volume fraction, sintering temperature, young modulus
PENDAHULUAN
Dalam industri pertahanan bahan Cu berperan sangat penting khususnya untuk pembuatan kelongsong peluru. Bahan Cu digunakan dalam bentuk paduan Cu-Zn (kuningan) dengan komposisi 70% Cu-30% Zn. Paduan Cu-Zn berbentuk lembaran diproses menjadi kelongsong dengan metode deep drawing, hanya saja kelongsong yang dibuat dengan proses deep drawing ini memilki dua kelemahan yaitu kelemahan dari aspek produksi
dan material. Kelemahan proses produksi deep drawing yaitu karena adanya korosi retak regang akibat tegangan sisa, sehingga menimbulkan porositas yang tidak dapat dikontrol. Berdasarkan aspek material, Cu dan Zn merupakan material yang ulet sehingga hasil produk (kelongsong) akan mudah terdeformasi oleh karena itu dibutuhkan paduan Cu dengan material yang ulet namun sedikit lebih kaku. Bahan yang memilki keuletan tinggi dan kaku yaitu bahan keramik sehingga akan dihasilkan material komposit Cu/oksida. Oksida logam
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 2
yang umum dipakai yaitu SiC, TiC, dan
Al
2O
3.Untuk membuat paduan Cu dan keramik
proses yang digunakan yaitu metalurgi
serbuk.
Proses metalurgi serbuk (powder
metallurgy processes) adalah salah satu proses
pembentukan logam dengan cara mengkompaksi serbuk logam dan dilanjutkan dengan
pemanasan (sintering). Proses ini
memungkinkan untuk diaplikasikan dalam proses pembuatan kelongsong peluru. memiliki beberapa keunggulan, yaitu mudah untuk membuat benda dengan bentuknya yang kompleks, produk dari proses metalurgi serbuk memiliki kekuatan yang tinggi, efisiensi proses sangat baik sehingga bahan baku yang terbuang sangat rendah, serta mikrostruktur produk dapat dikontrol dengan baik sehingga sifat mekanismenya juga baik.
Penelitian ini dilakukan untuk membuat material alternatif dalam aplikasi kelongsong peluru dari komposit Cu/ Al2O3. Keramik Al2O3 dipilih karena keramik ini memiliki keuletan dan kaku yang baik dibanding dengan keramik lainnya. Dan bila dihitung nilai modulus elastisitasnya secara teori maka akan menghasilkan komposit yang mempunyai modulus elastisitas lebih besar dari modulus elastisitas minimal 380 Mpa, sebagai syarat untuk aplikasi kelongsong.
Untuk mencapai syarat yang ditentukan, maka pada penelitian dibuat variasi komposisi antara Cu dengan Al2O3, dimana Al2O3 sebagai penguat, Cu sebagai matriknya dan dibuat variasi temperatur sintering.
TINJAUAN PUSTAKA
Peluru dalam bahasa asing disebut
Catridge. Peluru memiliki beberapa bagian yaitu
proyektil (Bullet), Kelongsong peluru (Bullet
case), mesiu (propellant) dan pemantik (Rim).
Amunisi yang terdapat pada kelongsong berisi 75% saltpeeter (nitrogen untuk bahan peledak), 15% belerang, 10% charcoal (arang).
Deep drawing merupakan proses pengerjaan metal dengan proses cold working. Drawing merupakan proses pembentukan lembaran logam menjadi bentuk tiga dimensi yang mempunyai dimensi tertentu dengan
memberikan tekanan kepada lembaran melalui punch dan dies. Proses ini digunakan untuk membuat kelongsong peluru dengan bahan logam yaitu lembaran Cu-Zn. Komposisi bahan yang digunakan yaitu 70% Cu dan 30% Zn. Selain itu pada industri yang lain proses ini digunakan untuk membuat tangki dengan berbagai bentuk dimana kedalamannya lebih besar dibandingkan dengan ukuran diameter
.
Material komposit adalah dua material atau lebih yang berbeda yang disatukan sehingga menghasilkan sifat mekanis yang merupakan gabungan dari komponen penyusunnya. Adapun kelebihan material komposit adalah sifat material dapat diperbaiki antara lain: kekuatannya, kekakuannya, ketahanan terhadap korosi, ketahanan terhadap keausan maupun pengurangan berat material. Pemilihan suatu material tentunya akan mengikuti tujuan dari penggunaan material tersebut, sehingga dapat menentukan sifat apa yang akan diperlukan oleh
material komposit tersebut. Komponen
penyusun suatu komposit pada umumnya mempunyai peranan sebagai matrik yaitu bagian dari material komposit yang memberikan bentuk terhadap material komposit tersebut dan mengikat komponen lain yang berfungsi sebagai penguat. Penguat yaitu komponen material komposit yang berfungsi sebagai penguat pada material komposit tersebut. Menurut bentuknya, penguat ini dibagi menjadi dua tipe yaitu, particulate, dan fibrous.
Komposit Cu- Al2O3 jenis komposit
Metal Matrix Composites (MMCs), dimana
Al2O3 sebagai reinforce dan Cu sebagai matrik. Komposit ini berdasarkan geometri dan orientasi penguatnya adalah komposit partikulat dengan orientasi penguatnya isotropic. Kemampuan sifat kapasitas panas jenis yang tingi dari keramik Al2O3 dan sifat plastis dari bahan matrik Cu, maka paduan Cu- Al2O3, akan membentuk material yang tahan panas tetapi memiliki kemampuan bentuk yang tinggi
(formability). Perpaduan sifat tersebut sangat
sesuai sebagai bahan kelogsong peluru yang mempunyai persyaratan kemampuan termal yang tinggi dan tidak mudah berubah bentuk saat terjadi perubahan panas yang mendadak
(shock thermal). (Puslitbang Indhan Balitbang
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 3
Jones (1960) menyatakan bahwa Metalurgi serbuk merupakan proses pembuatan benda komersial dengan menggunakan serbuk sebagai material awal sebelum proses pembentukan. Prinsip dalam pembentukan serbuk adalah memadatkan serbuk logam menjadi bentuk yang diinginkan kemudian memanaskannya dibawah temperatur lelehnya. Sehingga partikel-partikel logam memadu karena mekanisme transportasi massa akibat difusi atom antar permukaan partikel. Pemanasan dalam pembuatan serbuk dikenal dengan sinter yang menghasilkan ikatan partikel yang halus, sehingga kekuatan dan sifat fisisnya meningkat. Produk hasil dari metalurgi serbuk dapat terdiri dari campuran serbuk berbagai macam logam atau non logam.
Tahap mixing merupakan tahap pencampuran serbuk. Tahap ini berperan dalam penentuan kehomogenan partikel serbuk dalam campuran. Semakin homogen campuran yang dihasilkan maka hasil produk akan semakin isotropi.
Permasalahan dasar dalam kompaksi adalah gesekan antara serbuk dengan cetakan dan antar serbuk. Untuk mengatasi ini digunakan pelumas untuk meminimalisasi keausan dan memudahkan pengeluaran hasil cetak dari cetakan. Pemilihan lubrikan harus hati-hati karena hal ini sangat penting dimana lubrikan berpengaruh terhadap kekuatan dan green density ketika lubrikan telah diuapkan.
Kompaksi merupakan satu cara yang digunakan untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan. Kompaksi serbuk dilakukan agar serbuk dapat menempel satu dengan yang lainnya sebelum ditingkatkan ikatanya dengan proses sintering
Sintering, yaitu proses pemanasan yang dilakukan pada kondisi vakum sehingga diperoleh partikel-partikel yang bergabung.Pada saat proses sintering terjadi perubahan geometris butiran dimana bentuk pori secara keseluruhan adalah konstan sedangkan ukuran dari pori berkurang.
METODOLOGI PENELITIAN
Pada penelitian ini bahan yang digunakan adalah serbuk Cu sebagai matrik dan serbuk Al2O3 sebagai penguat.Fraksi volum penguat yang digunakan yaitu 2, 4, 6 dan 8% Al2O3. Ethanol digunakan sebagai pelarut polar dan zink stearat sebagai pelumas serbuk saat proses kompaksi.
Start
End Serbuk Cu
penimbangan fraksi penimbangan fraksiSerbuk Al2O3
Pencampuran Basah Cu- Al2O3 + ethanol Vf Al2O3 2, 4, 6 dan 8 % Kompaksi Dingin F = 20 KN Sintering Presinter 300oC, 1 jam Sintering 600, 700 dan 800 oC selama 6 jam Pengujian Identifikasi Fasa (X-ray Diffraction) Pengujian Modulus Elastisitas (Uji Tekan) Pengujian Mikrostruktur ( SEM/EDX) Analisa data dan pembahasan Kesimpulan
Material dasar pembuatan komposit isotropik Cu- Al2O3 yang diterapkan pada penelitian ini terdiri dari serbuk paduan Cu/ Al2O3 dengan Cu sebagai matrik dan Al2O3 sebagai reinforce, dengan variasi fraksi volum Al2O3 yaitu 2, 4, 6 dan 8%, kemudian masing-masing dicampurkan dengan metode wet mixing dalam larutan N-butanol, yang diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer pada temperatur
700C selama 45 menit. Setelah media
penyampur menguap dilanjutkan proses kompaksi sebesar 20 KN dalam lingkungan atmosfir (cold compaction) dalam dies berdiameter 14 mm dengan tinggi 14 mm dan ditahan selama 15 menit. Untuk mengurangi gesekan antara serbuk dengan cetakan pada saat kompaksi maka diberi pelumas zink stearat. Setelah proses kompaksi dilanjutkan dengan
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 4
proses vakum sinter, dengan temperatur presinter 3000C selama 1 jam dan proses vakum sintering dengan variasi temperatur 600, 700 dan 800 0C selama 6 jam dalam lingkungan vakum 10-3 thorr. Setelah itu langkah berikutnya
dilakukan pengujian mikrostruktur
(SEM/EDAX), analisa fasa dengan X-Ray
diffraction (X-RD) dan uji mekanik
menggunakan mesin compression test.
HASIL DAN PEMBAHASAN
1 Distribusi Al2O3 Terhadap Matriks Cu
Pada Komposit Cu/Al2O3
Dalam distribusi penguat Al2O3 terhadap matriks Cu pada komposit Cu/Al2O3, ternyata dengan temperatur sintering yang berbeda, akan menyebabkan perbedaan penyebaran Al2O3. Distribusi Al2O3 terhadap matriks Cu pada komposit Cu/Al2O3 terlihat pada hasil SEM (Scanning Elektron Microskop) seperti Gambar 1 berikut ini.
Gambar 1 Distribusi Al2O3 di dalam matriks Cu berdasarkan hasil SEM dengan perbesaran 5000x dengam fraksi volum 2% Al2O3 dan temperatur sintering (a) 6000C; (b)7000C;
(c)8000C dan fraksi volum 8%
Al2O3 dengan temperatur sintering (a) 6000C; (b)7000C; (c)8000C.
Dari Gambar 1 terlihat jelas distribusi Al2O3 di dalam matriks Cu. Pada fraksi volum 2% Al2O3 dengan temperatur sintering 600 dan 7000C, terlihat pada Gambar 1 (a) dan (b), Al
2O3
terdistribusi merata. Al2O3 menyebar
merata/homogen pada matriks Cu, sedangkan pada fraksi yang sama dengan temperatur sintering 8000C,seperti terlihat pada Gambar 1 (c), terjadi pengumpulan partikel Al2O3 dalam satu tempat, yang disebut dengan agglomerat. Pada fraksi volum 8% Al2O3, dan temperatur sintering 6000C,yaitu pada Gambar 1 (d), terlihat dari hasil SEM tersebut, pola partikel Al2O3 menyebar secara berkelompok-kelompok,akan tetapi acak untuk seluruh bagian matrik (Groups
random distributed). Kemudian pada fraksi yang
sama, dengan temperatur sintering 7000C, terlihat pada Gambar 1 (e), Al2O3 membentuk agglomerat semakin banyak pada tempat tertentu, dan kemudian pada fraksi yang sama dengan temperatur sintering 8000C, seperti terdapat pada Gambar 1 (f), agglomerat penguat Al2O3 semakin banyak, sehingga distribusi Al2O3 tidak lagi merata pada matriks Cu.
Homogenitas distribusi penguat
terhadap matriks komposit merupakan hal yang penting dalam pembuatan komposit. Dengan distribusi penguat homogen dalam matriks, maka sifat mekanik yang didapatkan akan baik, tetapi adanya agglomerat partikel penguat pada matriks akan menyebabkan kurangnya kekuatan ikatan dan perbedaan kuat ikatan untuk semua bagian sampel. Hal ini akan mengakibatkan mudah terjadi crack saat diberikan pengaruh gaya luar, dan berpengaruh pada sifat mekanik komposit tersebut.
Adanya agglomerat Al2O3 di dalam maktriks Cu pada komposit Cu/Al2O3 ini, disebabkan karena proses pencampuran basah (wet mixing) yang tidak merata, dimana partikel-partikel yang memiliki muatan yang sama cenderung untuk berkumpul menjadi satu.
4.2 Pengaruh Fraksi Volume Penguat Al2O3
dan Temperatur Sintering Terhadap Densitas Komposit Cu/Al2O3.
Sintering merupakan proses konsolidasi material komposit berbasis metalurgi serbuk. Sintering pada prinsipnya bertujuan untuk
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 5
kompaktibilitas antar partikel akibat adanya difusi atomic antar permukaan partikel.
Untuk meningkatkan kepadatan serbuk maka dilakukan proses sintering, karena pada proses sintering terdapat perlakuan thermal dan terjadinya proses difusi.
Tabel 1 Densitas sinter komposit Cu/Al2O3 Vf (%) ρ teoritis Ts (°C) (gr/cm³) 600 700 800 2 8.8 8.06 8.05 8 4 8.7 8.06 7.84 7.77 6 8.6 7.81 7.67 7.52 8 8.5 7.54 7.07 7.25
Kemudian hubungannya dengan
densitas teoritis terdapat pada Gambar 2 berikut
Gambar 2 Grafik hubungan antara densitas
sinter dan densitas teoritik terhadap fraksi volum penguat komposit Cu/Al2O3
Dari Tabel 1 dan Gambar 2, didapatkan pengaruh penambahan fraksi volum penguat terhadap nilai densitas sinter. Semakin besar fraksi volum penguat, maka densitas sinter akan semakin rendah. Hal ini terjadi, salah satunya karena adanya distribusi penguat terhadap matriks. Semakin besar fraksi volum Al2O3, maka distribusi Al2O3 terhadap matriks Cu menjadi tidak homogen, sehingga menyebabkan kepadatan komposit tersebut menurun dan mempengaruhi densitas yaitu densitasnya semakin menurun.
Densitas teoritis dan densitas sinter mempunyai pola yang sama yaitu semakin besar fraksi volum Al2O3, densitasnya semakin menurun.
Temperatur sintering juga
mempengaruhi densitas sinter komposit, terlihat dari data pada Tabel 1. Hubungan antara
temperatur sintering terhadap densitas
digambarkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Grafik hubungan antara temperatur
sintering terhadap densitas sinter komposit Cu/Al2O3.
Semakin tinggi temperatur sintering, maka nilai densitas sinternya semakin menurun. Densitas yang semakin menurun itu terjadi karena penyebaran Al2O3 di dalam matriks Cu tidak merata. Karena semakin tinggi temperatur sintering, homogenitas Al2O3 di dalam matriks Cu semakin menurun sehingga menyebabkan densitas sinter menurun.
4.3 Pengaruh Fraksi Volume Penguat Al2O3
dan Temperatur Sintering Terhadap Porositas Komposit Cu/Al2O3
Porositas adalah bagian yang tidak koheren dari sintering, berupa kekosongan berisi gas atau lubricant. Pembuatan komposit dengan metode metalurgi serbuk dapat memungkinkan terjadinya porositas. Porositas berhubungan dengan densitas sinter. Semakin tinggi porositas yang terdapat pada komposit, maka densitas sinter akan semakin rendah. Besarnya porositas dari komposit Cu/Al2O3 terlihat pada Tabel 2 dan Gambar 4 berikut.
Tabel 2 Porositas komposit Cu/Al2O3 (%) Vf (%) Ts (°C) 600 700 800 2 7.4 9 10.1 4 8.8 9.6 11.2 6 10.2 11 13.58 8 13.1 14.3 14.1
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 6
Kemudian hubungannya terhadap
besarnya fraksi volum penguat Al2O3 terdapat pada Gambar 4 berikut ini.
Gambar 4 Grafik hubungan antara fraksi volum
penguat terhadap porositas komposit Cu/Al2O3.
Porositas semakin meningkat seiring dengan bertambahnya fraksi volum Al2O3. Nilai porositas yang tinggi menunjukkan laju dari kepadatan butir relatif terhadap porositas yang terjadi pada tahap akhir sintering. Pada proses ini terjadi eliminasi porositas sehingga menghasilkan bahan yang semakin padat dimana kepadatan bahan lebih besar daripada sebelum mengalami proses sintering (Kang, 2005).
Porositas terjadi karena perbedaan bentuk antara serbuk penguat dan serbuk matrik. Akan tetapi hal yang sangat penting adalah
kehomogenan campuran, karena akan
mempengaruhi porositas komposit. Berdasarkan data yang diperoleh sebelumnya, pada komposit Cu/Al2O3, seiring dengan besarnya fraksi volum penguat, maka homogenitas komposit Cu/Al2O3 tersebut akan semakin berkurang, sehingga densitasnya semakin menurun hal tersebut menyebabkan porositas meningkat.
Temperatur sintering juga berpengaruh terhadap tingkat porositas komposit. Pengaruh temperatur sintering terhadap porositas komposit Cu/Al2O3, terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Grafik hubungan antara temperatur
sintering terhadap porositas
komposit Cu/Al2O3.
Dari Tabel 2 dan Gambar 5
didapatkan
semakin tinggi temperatur sintering, maka porositas yang terjadi akan semakin besar. Hal ini tidak seperti hasil yang didapatkan, dimana semakin tinggi temperatur sintering, maka porositas yang terjadi semakin besar.Porositas yang meningkat seiring kenaikan temperatur sintering pada komposit
Cu/Al2O3, disebabkan oleh menurunnya
homogenitas distribusi Al2O3, yang berakibat pada penurunan densitas komposit. Dengan penurunan densitas sinter, maka porositas akan meningkat.
4.4 Pengaruh Fraksi Volume Penguat Al2O3
dan Temperatur Sintering Terhadap Modulus Elastisitas Komposit Cu/Al2O3,
Modulus elastisitas menyatakan nilai kekakuan (stiffness) suatu bahan. Kekakuan adalah kemampuan suatu bahan untuk menerima tegangan/ beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk atau deformasi.
Tabel 3 Modulus elastisitas komposit Cu/Al2O3, Vf (%) E teoritis Ts (°C) (Mpa) 600 700 800 2 114800 334609.7 198699.12 198433.48 4 119600 207864.14 193956.7 183945.8 6 124400 161607.05 151995 112058.88 8 122000 88974.42 75826.5 45029.33
Modulus maksimum terdapat pada fraksi volum 2% Al2O3, dengan temperatur sintering 6000C, yaitu sebesar 334607,1 MPa. Berdasarkan data dari Tabel 3, didapatkan pengaruh antara fraksi volum Al2O3 terhadap
6 8 10 12 14 16 600 700 800 Temperatur Sintering (°C) Vf 2% Vf 4% Vf 6% Vf 8% P o r o si ta s (%)
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 7
besarnya modulus elastisitas. Hubungan ini dapat dilihat dari Gambar 6 berikut.
Gambar 6 Pengaruh fraksi volum Al2O3 terhadap modulus elastisitas komposit Cu/Al2O3.
Dari Gambar 6, terlihat bahwa semakin besar jumlah fraksi volum Al2O3, maka modulus elastisitasnya akan semakin kecil. Menurunnya
modulus elastisitas komposit tersebut,
disebabkan karena tingkat porositas yang semakin tinggi seiring dengan penambahan fraksi volum penguat pada komposit Cu/Al2O3. Sedangkan untuk modulus elastisitas teoritik, semakin besar fraksi volum Al2O3, maka modulus elastisitas teoritik akan semakin besar.
Besar modulus elastisitas yang
didapatkan berdasarkan penelitian, berbanding terbalik dengan besar modulus teoritik, dimana modulus elastisitas eksperimental semakin kecil nilainya seiring penambahan fraksi volum Al2O3. Hal ini terjadi karena adanya porositas yang semakin meningkat seiring dengan penambahan fraksi volum Al2O3.
Temperatur sintering juga berpengaruh terhadap modulus elastisitas komposit Cu/Al2O3.
Gambar 7 Pengaruh temperatur sintering
terhadap modulus elastisitas komposit Cu/Al2O3.
Dari Tabel 3 dan Gambar 7 tersebut terlihat seiring dengan kenaikan temperatur sintering, maka modulus elastisitas semakin menurun.
Penurunan besar modulus elastisitas disebabkan karena homogenitas Al2O3 pada matriks Cu dalam komposit Cu/Al2O3 semakin berkurang seiring dengan meningkatnya temperatur sintering, yang mengakibatkan meningkatnya porositas. Porositas yang tinggi akan menyebabkan permukaan material memiliki kekuatan yang berbeda karena distribusi penguat tidak tersebar merata ke permukaan matrik, sehingga ketika diberikan gaya luar akan retak.
4.5 Analisa Antar Muka Komposit Cu/Al2O3.
Komposit berhubungan erat dengan kualitas ikatan antara matriks dan penguat. Kualitas ikatan antara matriks dan penguat dapat diketahui dengan cara kuantitatif dan kualitatif. Cara kuantitatif dengan nilai modulus elastisitas yang didapatkan dari pengujian mekanik, sedangkan cara kualitatif dengan pengamatan SEM dan EDAX.
Pada fraksi volum 2% Al2O3, dengan temperatur sintering 6000C, terlihat distribusi
Al2O3 merata pada matriks Cu sehingga
porositas yang terjadi sedikit, terlihat dari hasil SEM pada Gambar 8 dibawah ini
Porositas
Gambar 8 Porositas komposit Cu/Al2O3 pada fraksi volum 2% Al2O3 dengan temperatur sintering 6000C
Daerah antar muka merupakan daerah yang dapat mengidentifikasi ikatan antara matrik dan penguat setelah proses sintering, sehingga
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 2 4 6 8 Vf (%) E ( M P a ) T=600 T=700 T=800 E teoritis
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 8
dapat menunjukkan perbedaan daerah antar muka pada komposit.
Gambar 9 menunjukkan ikatan antar muka komposit pada fraksi volum 2% Al2O3 dengan temperatur sintering 6000C.
Antar muka
Gambar 9 Ikatan antar muka komposit
Cu/Al2O3 pada fraksi volum 2% Al2O3 dengan temperatur sintering 6000C
Semakin tinggi fraksi volum Al2O3,maka distribusi Al2O3 di dalam matriks Cu menjadi semakin tidak merata, dan semakin tinggi temperatur sintering, maka semakin banyak terjadi aglomerat pada Al2O3 , seperti terlihat dari hasil SEM pada Gambar 10 berikut ini
Porositas
Gambar 10 Porositas komposit Cu/Al2O3 pada fraksi volum 8% Al2O3 dengan temperatur sintering 8000C Berdasarkan Gambar 10, terlihat aglomerat pada penguat Al2O3 terhadap matriks
Cu dalam komposit Cu/Al2O3, sehingga
menyebabkan terjadinya porositas yang semakin besar yaitu hingga 14,1 %. Ikatan antar muka yang terjadi antara Al2O3 terhadap matriks Cu, terlihat pada Gambar 11 berikut ini
Antar muka
Gambar 11 Ikatan antar muka komposit
Cu/Al2O3 pada fraksi volum 2%
Al2O3 dengan temperatur
sintering 6000C
Proses sintering, memungkinkan
terjadinya ikatan antar matriks dan penguat serta timbulnya fasa baru. Terjadinya fasa baru selama sintering memungkinkan perbedaan sifat mekanik yang dihasilkan.
Pada fraksi volum 8% Al2O3 dengan temperatur sintering 8000C, terjadi fasa baru
berupa Cu2O. Fasa ini terbentuk dengan
persamaan reaksi
6Cu + Al2O3 → 3Cu2O + 2Al
Dari hasil pengujian XRD, maka terlihat adanya fasa baru Cu2O seperti pada Gambar 12 di bawah ini
Gambar 12 Hasil uji XRD MMCs Cu/Al2O3 pada fraksi volum 8% Al2O3
dengan temperatur sintering
8000C. 20 30 40 50 60 70 80 It en si ta s * o o o * * * * 2 Theta * o = Cu * = Cu2O
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 9
5. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisa data dan pembahasan, maka pada penelitian tentang komposit Cu/Al2O3 dapat disimpulkan :
1. Dari variasi fraksi volum 2, 4, 6 dan 8% Al2O3, didapatkan fraksi volum 2% Al2O3
dan temperatur sintering 6000C
menghasilkan nilai modulus elastisitas tertinggi yaitu 334609.7 Mpa.
2. Dari variasi temperatur 600, 700 dan 8000C, temperatur sintering 6000C dengan fraksi volum 2% Al2O3, menghasilkan nilai modulus tertinggi yaitu 334609.7 Mpa.
3. Fraksi volum penguat 2% Al2O3
memperlihatkan distribusi Al2O3 yang homogen dalam matrik Cu.
4. Fraksi volum penguat berbanding terbalik dengan nilai modulus elastisitas dimana semakin tinggi fraksi volum penguat Al2O3 nilai modulus elastisitas komposit Cu/ Al2O3 semakin menurun
5. Fraksi volum penguat berbanding terbalik dengan nilai modulus elastisitas dimana semakin tinggi fraksi volum penguat Al2O3 nilai modulus elastisitas komposit Cu/ Al2O3 semakin menurun
6. DAFTAR PUSTAKA
1. Anđić, Z., Korac, M., Tasic, M.,
Kamberovic, Z., Dan Raic, K. “Synthesis and Sintering of Cu-Al2O3 Nanocomposite Powders Produced by a Thermochemical Route ”. AMES
669.37-152-492.2.8:669.712.
2. Chandrawan, David, dan Ariati, Myrna. 2000. “Metalurgi Serbuk: Teori dan Aplikasi”. Jilid I. Jakarta
3. Chawla, K. Krishan. 1987. “Composite
Material: Science and Engineering”.
London Paris Tokyo: Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg.
4. German.R.M 1984, “ Powder Metallurgy
Science” Metal powder ndustries federation,
priceton, Nj
5. Hausner, H. H. dan Mal, M. K. 1982.
Handbook of Powder Metallurgy. New York
: Chemical Publishing Co., Inc.
6. Hongming Li, 2005. Impact Of Cohesion
Forces On Particle Mixing And Segregation. University of Pittsburgh :
Disertation
7. Hwang, Seung. J. dan Lee, J. H. 2005.Mechanochemical Syntesis of Cu-
Al2O3 nanocomposites. Elsevier .Daejin
University
8. J.C. Lee, Jung-Ill Lee and Ho-In Lee, 1996.
“Methodologies To Observe And
Characterize Interfacial Reaction Products In (Al2O3)/Al And SiC/Al Composites - Using SEM, XRD, TEM”. Scripta Material, Vol. 35, No. 6, pp. 721-726, 1996, 1359-6462(96)00206.
9. Jones, W.D. 1960” Fundamental Principles
of Powder Metallurgy” Edward Arnold ltd,
London, England.
10. Kol. CTP Drs. Umar S. Tarmansyah, Strategi Inovasi dan Pengembangan Iptek dan Industri Pertahanan. (Puslitbang Indhan Balitbang Dephan).
11. Kang. Suk-Joong., 2005. Sintering :
Densifikasi, Grain Growth and
Microstructures. Elseviere - Butterworth.
Heinemenn.
12. Kartikasari, Rike, 2010. Sintesis MMCs Cu-Al2O3 Melalui Proses Metalurgi Serbuk dengan Variasi Fraksi Volume Al2O3 dan Gaya Tekan Kompaksi Sebagai Alternatif Bahan Kelongsong Peluru. Tugas Akhir. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi. Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 13. Kruft, Jr., J. G. 2007. Pressureless Sintering
Of Powder Processed Graded Metal Ceramic Composites Using A Nanoparticle Sintering Aid And Bulk Molding Technology. University of Maryland :
Thesis
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi/FTI-ITS
Page 10
14. Lee, D. W., Ha, G. H., dan Kim, B. K. 2001. “Synthesis of Cu-Al2O3
Nanocomposite Powder”. Scripta Materialia
44, 8-9:
2137-2140.
15. M K Surappa, 2003. Aluminium matrix composites: Challenges and Opportunities.
S¯adhan¯a Vol. 28, Parts 1 & 2,
February/April 2003, pp. 319–334. © Printed in India
16. Pratapa, S. 2004. Prinsip-Prinsip dan Implementasi Metode Rietvield Untuk Analisis Data Difraksi. Surabaya.
17. Rajković, V., D. Božić, M., Popović, M., Jovanović, D., 2009. Properties Of
Cu-Al2O3 Powder And Compact Composites
of Various Starting Particle Size Obtained by High-Energy Milling.
AMES, Belgrade, Serbia.
18. Waldron, M. B. and Daniell, 1978. “Sintering”. Heyden, London
19. Widyastuti, Anne Z, M. Zainuri, ”Development of Metal Matrix Composite
(MMCs) by powder Metallurgy Method to Improve Mechanical Properties Of Gear,
KITECH, 2006
20. Widyastuti et al, ”Identification Of Particle Shapee Al, SiC and Al2O3 According
Anisometry and Bulkiness Value
Proceeding of 9th International Conference Quality in Research.
21. Widyastuti, Siradj S. S., Priadi. D., Zulfia. A., 2008. “Kompaktibilitas Komposit Anisotropik Al/Al203 dengan Variabel Waktu Tahan Sinter”.Makara Sains 12, 2:113-119.
