Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009
M25 149
Penambahan Penghalus Butir 0.0505 wt. % dan 0.072 wt. % Ti
Berbentuk Fluks pada Paduan AC4B Hasil Low Pressure Die Casting
Bondan T. Sofyan
*), Daniel J. Kharistal , Nike Lestari
Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok 16424, Telp. 021- 786 3510, Fax: 021 – 787 2350
*) corresponding author:
bondan@metal.ui.ac.id
Abstrak
Penghalus butir dalam proses pengecoran aluminium berfungsi dengan membentuk partikel yang kemudian bertindak sebagai inti pembekuan. Akibatnya, penghalus butir juga dapat bertindak sebagai pengontrol proses pembekuan logam cair. Penelitian ini mempelajari pengaruh penambahan penghalus butir Al-Ti berbentuk serbuk dengan kandungan 0.0505 dan 0.072 wt. % terhadap karakteristik paduan AC4B yang diproses melalui metode Low Pressure Die Casting. Penghalus butir dengan kandungan 0.0505 dan 0.072 wt. % Ti ditambahkan dalam bentuk serbuk fluks secara manual dan teraduk bersamaan dengan proses Gas Bubble Floatation. Proses pengecoran dilakukan dengan metode Low Pressure Die Casting dengan produk berbentuk cylinder head kendaraan roda dua dalam rentang waktu empat jam. Sampel pengujian diambil pada bagian yang tebal dan tipis untuk mengetahui pengaruh penambahan titanium terhadap laju pembekuan pada tiap bagian. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian kekerasan, pengamatan mikrostruktur menggunakan mikroskop optik serta SEM/EDX.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan penghalus butir berbentuk serbuk fluks dengan kadar 0.0505 dan 0.072 wt. % Ti meningkatkan kekerasan, serta menurunkan nilai DAS (Dendrite Arm Spacing). Pengaruh lebih terlihat signifikan pada bagian tipis dari sampel karena didukung oleh faktor pendinginan yang lebih cepat. Fasa yang terbentuk adalah fasa intermetalik Al2Cu berwarna putih, fasa intermetalik β – Al15(Fe,Mn)3Si2
berwarna abu abu muda, fasa AlSi berwarna abu abu gelap, dan matriks aluminium, sementara titanium sendiri maupun AlTi3 tidak terdeteksi keberadaannya di dalam
mikrostruktur.
Kata kunci : Paduan AC4B; Low Pressure Die Casting; Dendrite Arm Spacing; Penghalus butir Al– Ti
Pendahuluan
Paduan aluminium AC4B banyak digunakan sebagai bahan baku utama dalam proses pengecoran cylinder head pada industri kendaraan bermotor. Proses pengecoran cylinder head umumnya dilakukan dengan menggunakan metode Low Pressure Die Casting (LPDC). Pada proses pengecoran ini ditemui beberapa masalah, diantaranya adalah misrun, porositas, dan kebocoran. Salah satu masalah yang penting dalam proses pengecoran ini adalah masalah kebocoran pada cylinder head. Kebocoran pada cylinder head dapat berakibat fatal, yaitu tidak berfungsinya mesin kendaraan bermotor[1].
Indikasi terjadinya kebocoran tersebut akan terlihat pada uji bocor yang dilakukan setelah proses pengecoran dan proses perlakuan panas penuaan artifisial. Kebocoran ini antara lain disebabkan oleh pendinginan yang tidak merata pada bagian yang tebal di cylinder head sehingga terjadi shrinkage[1]. Salah satu cara untuk mengurangi masalah ini adalah dengan menambahkan penghalus butir yang berguna untuk mengontrol laju pendinginan benda hasil
150 M25 pengecoran sehingga diharapkan akan mengurangi adanya shrinkage dan mengurangi kebocoran pada cylinder head.
Selain mengurangi adanya shrinkage, penghalus butir juga bermanfaat untuk meningkatkan sifat mekanis dari logam cor. Penghalus butir ini akan bertindak sebagai inti yang akan merangsang pertumbuhan butir. Penambahan jumlah butir pada logam akan mengakibatkan ukuran butir logam menjadi semakin kecil. Ukuran butir yang semakin kecil akan meningkatkan kekerasan pada logam[2].
Terdapat berbagai macam jenis penghalus butir, diantaranya yang umum digunakan adalah Al-Ti-B dalam bentuk batangan / master alloy maupun yang berbentuk serbuk flux. Produk serbuk ini diyakini mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan produk yang berbentuk batangan, diantaranya adalah harganya yang lebih murah, kemampuan untuk membersihkan logam dari pengotor (fluxing), dan waktu pudar yang lebih lama[3].
Penelitian ini akan difokuskan untuk mengetahui pengaruh penambahan penghalus butir Ti yang berbentuk serbuk flux dengan merek dagang Coveral GR – 2815 terhadap laju pendinginan dan ukuran butir dari paduan AC4B dalam aplikasinya dalam dunia industri otomotif. Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian payung mengenai pengembangan material aluminium sebagai bahan baku industri otomotif di Indonesia dengan menggunakan penghalus butir.
Metode Penelitian
Peleburan logam aluminium AC4B dilakukan di dapur peleburan reverberatory
furnace pada temperatur proses 810 ± 5 °C, dengan perbandingan ingot dan return scrap
adalah 60:40. Penghalus butir Al-Ti berbentuk serbuk ditaburkan ke dalam ladel yang kemudian mengalami proses degassing dengan menggunakan gas argon. Aluminium cair diinjeksikan menggunakan mesin Low Pressure Die Casting (LPDC) melalui holding furnace yang dijaga pada temperatur 720 oC.
Sampel untuk pengamatan mikrostruktur dibuat dengan memotong cylinder head pada bagian yang tipis dan tebal dengan ukuran 20 × 20 × 10 mm3. Preparasi mengikuti metode standar dengan etsa Tucker (45 ml HCl + 15 ml HNO3 + 15 ml HF (48%) + 25 ml H2O). Pengujian kekerasan dilakukan menggunakan metode Brinell dengan diameter bola baja 3.15 mm, beban sebesar 31.25 kg dan lima kali indentasi.
Hasil Penelitian dan Pembahasan
Pengujian Komposisi Kimia
Tabel 1 menunjukkan komposisi kimia dari paduan AC4B sebelum dan sesudah penambahan titanium dan perbandingannya dengan standar. Secara keseluruhan, kandungan paduan AC4B masih sesuai standar JIS, sehingga dapat disimpulkan bahwa perhitungan material cukup akurat dan ingot aluminium terlebur dengan baik tanpa adanya inklusi.
Tabel 1. Komposisi paduan AC4B hasil pengecoran
Unsur paduan Paduan AC4B + 0 wt. % Ti Paduan AC4B + 0.0505 wt. % Ti Paduan AC4B + 0.072 wt. % Ti Komposisi standar AC4B Si 9.41 9.40 9.38 7 – 10 Cu 2.83 2.80 2.88 2 – 4 Mg 0.22 0.17 0.18 0.5 maks Fe 0.65 0.78 0.76 1 maks Mn 0.24 0.308 0.310 0.5 maks Ti 0.02 0.0795 0.101 0.2 maks
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009
M25 151
Pengaruh Titanium terhadap Sifat Mekanik Paduan AC4B
Pengaruh penambahan Ti terhadap kekerasan dan kekuatan tarik paduan AC4B dapat dilihat pada Gambar 1. Tampak bahwa kekerasan sampel tebal tanpa penghalus butir titanium adalah 83.43 BHN, sementara penambahan 0.0505 dan 0.072 wt. % Ti menghasilkan kekerasan sebesar 85.77 dan 89.42 BHN. Artinya terjadi peningkatan kekerasan sebesar 2.8 % dan 7.17 %. Hal ini sejalan dengan peningkatan kekuatan tarik, yang terjadi cukup signifikan, yaitu sebesar 28.7 % hingga 33.4 Peningkatan sifat mekanis ini sesuai prediksi bahwa penambahan unsur titanium sebagai penghalus butir akan menurunkan DAS (Dendrite
Arm Spacing) dan meningkatkan kekerasan [2, 4].
83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Penambahan Ti (w t. %) K e ke ra sa n ( B H N ) Tipis Tebal (a) (b)
Gambar 1. Pengaruh penambahan Ti terhadap (a) kekerasan, dan (b) kekuatan tarik paduan AC4B
hasil LPDC.
Gambar 2. Foto mikrostruktur paduan AC4B pada sampel tebal dan sampel tipis dengan penambahan
(a-b) 0 wt. % Ti; (c-d) 0.0505 wt. % Ti; dan (e-f) 0.072 wt. % Ti. Etsa Tucker.
Sampel tebal Sampel tipis 0 wt % Ti a 100 µm 0,0505 wt % Ti c 100 µm 0,072 wt % Ti e 100 µm 0 wt % Ti b 100 µm 0,0505 wt % Ti d 100 µm 0,072 wt % Ti f 100 µm 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 .0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 .0 6 0 .0 7 0 . 0 8 P e n a m b a h a n T i ( w t . % ) K e ku a ta n t a ri k (MP a )
152 M25 Pengaruh Titanium terhadap Mikrostruktur dan Nilai Dendrite Arm Spacing Paduan AC4B
Pengamatan mikrostruktur menggunakan mikroskop optik dilakukan untuk mengetahui karakteristik fasa, struktur dendrit dengan kaitannya dengan sifat mekanis. Pada Gambar 2 diperlihatkan foto mikrostruktur dari sampel tebal dan sampel tipis tanpa penambahan titanium (Gambar 2 (a-b)), dengan penambahan 0.0505 wt. % Ti (Gambar 2 (c-d)), dan dengan penambahan 0.072 wt. % Ti (Gambar 2 (e-f)). Dari gambar tersebut terlihat bahwa mikrostruktur tanpa dan dengan penambahan penghalus butir mempunyai struktur yang sama yaitu dendritik. Juga terlihat adanya rangkaian jaringan fasa yang berbentuk jarum yang terbentuk diantara fasa dendrit. Fasa yang berbentuk jarum ini kemungkinan besar adalah Al5FeSi dan kristal AlSi. Selain itu, juga terdapat fasa berbentuk chinese script yang kemungkinan besar adalah α – Al15(Mn,Fe)3Si2[5] (Gambar 2(c)) dan fasa AlSi yang berbentuk serpihan. Fasa AlSi yang berbentuk jarum ini menimbulkan kekuatan dan kekerasan yang lebih besar dari fasa AlSi yang berbentuk serpihan[6].
Penambahan penghalus butir titanium akan mengubah struktur dendrit menjadi lebih rapat, dan mengubah struktur dendrit kolumnar menjadi dendrit equiaxed[7]. Hal ini terlihat jelas pada Gambar 2 (f) pada sampel tipis dengan penambahan 0.072 wt. % Ti struktur dendrit menjadi sangat kecil dan rapat dibandingkan dengan struktur dendrit tanpa penambahan aluminium. Menurut penelitian Lozano[8], penambahan titanium akan menyebabkan peningkatan fraksi volume dan reduksi ukuran dari fasa α – aluminium dan serpihan AlSi (cuboids). Hal ini sejalan dengan penelitian lain yang menyatakan bahwa penambahan penghalus butir akan meningkatkan ukuran dendrit dan meningkatkan luas area kontak antara dendrit sehingga mengurangi ruang interdendritik[9].
Gambar 3. Perbandingan nilai DAS sebelum dan sesudah penambahan titanium pada (a)
sampel tebal dan (b) sampel tipis
Pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa penambahan 0.0505 wt. % Ti akan menurunkan nilai DAS sebesar 20.2 % pada sampel tebal dan 46.3 % pada sampel tipis. Penambahan 0.072 wt. % Ti akan menurunkan nilai DAS sebesar 26.5 % pada sampel tebal dan 50.3 % pada sampel tipis. Pengaruh titanium terhadap penurunan nilai DAS terlihat lebih signifikan pada sampel tipis, hal ini dikarenakan pada sampel tipis didukung oleh faktor pendinginan yang lebih cepat yang mengakibatkan struktur dendrit yang lebih rapat.
Seminar Nasional Kluster Riset Teknik Mesin 2009
M25 153
Gambar 4. Foto mikrostruktur menggunakan SEM pada paduan AC4B dengan penambahan
(a) 0.0505 wt. % Ti, dan (b) 0.072 wt. % Ti. Nomor menunjukkan titik pengujian EDX
Tabel 3. Komposisi mikro hasil analisa EDX pada paduan AC4B dengan penambahan 0.0505
wt. % Ti, sesuai nomor titik pada Gambar 4 (a).
No Si Cu Fe Mn Komposisi ( % berat ) Ti Al Warna Fasa yang mungkin terbentuk
1 15.15 - 23.64 4.45 0 Sisa Abu – abu muda Al15(Fe,Mn)3Si2
2 92.23 - - - 0 Sisa Abu – abu gelap AlSi kristal
3 - 66.87 - - 0 Sisa Putih Al2Cu
4 1.52 - - - 0 Sisa Abu – abu Matriks Al
Tabel 4. Komposisi mikro hasil analisa EDX pada paduan AC4B dengan penambahan 0.072
wt. % Ti, sesuai nomor titik pada Gambar 4 (b).
No Si Cu Fe Mn Komposisi ( % berat ) Ti Al Warna Fasa yang mungkin terbentuk
1 11.96 - 24.73 5.46 0 Sisa Abu – abu muda Al15(Fe,Mn)3Si2
2 96.43 - - - 0 Sisa Abu – abu gelap AlSi kristal
3 0.51 66.51 - - 0 Sisa Putih Al2Cu
4 1.52 - - - 0 Sisa Abu – abu Matriks Al
Pengamatan Mikrostruktur dengan SEM / EDX
Pengamatan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) dan EDX (Energy
Dispersive X – Ray Analysis) digunakan untuk mengetahui fasa yang terbentuk serta untuk
memahami fenomena penghalusan butir oleh titanium. Foto mikrostruktur dapat dilihat pada Gambar 4 (a dan b), serta hasil analisis mikro dapat dilihat pada Tabel 3 dan 4. Tabel 3 mengindikasikan terbentuknya fasa kristal silikon, Al15(Fe,Mn)3Si2, matriks kaya Al dan Al2Cu. Hal ini sesuai dengan literatur[10] yang menyatakan bahwa pada paduan hipoeutektik, terdapat tiga tahap pembentukan fasa, yaitu pembentukan jaringan dendritik α-Al, reaksi eutektik Al – Si dan pengendapan fasa eutektik kedua seperti CuAl2.
Hasil analisa EDX pada Tabel 3 dan 4 mengindikasikan terbentuknya fasa kristal silikon, Al15(Fe,Mn)3Si2, matriks kaya Al dan Al2Cu. Hal ini sesuai dengan literatur[10] yang menyatakan bahwa pada paduan hipoeutektik, , terdapat tiga tahap pembentukan fasa, yaitu pembentukan jaringan dendritik α-Al, reaksi eutektik Al – Si dan pengendapan fasa eutektik kedua seperti CuAl2. Kristal silikon terbentuk karena batas kelarutan silikon dalam aluminium dalam keadaan larutan padat (solid solution) sebesar 1.65 %[9]. Oleh karena itu, sisanya membentuk silikon bebas dalam bentuk kristal silikon. Pada titik nomor 1, fasa yang berwarna abu abu muda merupakan Al15(Fe,Mn)3Si2 yang berbentuk jarum. Fasa ini menyebabkan sifat yang getas[22]. Fasa yang berwarna abu abu gelap pada titik nomor 2 merupakan kristal AlSi dengan bentuk jarum (acicular). Selain bentuk jarum, juga terdapat kristal AlSi yang berbentuk serpihan. Fasa yang juga banyak terdapat pada Gambar 4 adalah
001 002 003 004 a b 001 002 003 004
154 M25 fasa yang berwarna putih yang pada titik nomor 3 diidentifikasi sebagai fasa Al2Cu. Fasa Al2Cu umumnya memiliki bentuk yang bulat atau irregular[9], dan menurut Manash Dash[25] fasa Al2Cu sering menempel pada jarum Al15(Fe,Mn)3Si2.
Kandungan unsur Ti tidak dapat terdeteksi oleh EDX baik pada penambahan 0.0505
wt. % Ti dan 0.072 wt. % Ti. Seharusnya kandungan titanium terdeteksi pada EDX dengan
fasa Al3Ti. Hal ini dikarenakan penambahan titanium yang sedikit sehingga sulit dideteksi oleh EDX[11].
Kesimpulan
1. Penambahan penghalus butir 0.0505 dan 0.072 wt. % Ti akan meningkatkan kekerasan paduan AC4B.
2. Penambahan penghalus butir 0.0505 dan 0.072 wt. % Ti akan menurunkan nilai DAS. 3. Secara umum, mikrostruktur paduan AC4B dengan penambahan butir 0.0505 dan 0.072
wt. % Ti memiliki struktur dendritik dan interdendritik yang terdiri dari kristal silikon, Al15(Fe,Mn)3Si2, matriks kaya Al dan Al2Cu.
4. Kandungan Ti dalam bentuk fasa Al3Ti tidak terdeteksi dalam paduan AC4B.
Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dibiayai melalui skema Hibah Kompetitif Strategis Nasional Universitas Indonesia 2009. Ucapan terima kasih kepada PT. Astra Honda Motor yang telah menyediakan dapur LPDC.
Referensi
1. D. Qiu, J.A. Taylor, M.-X. Zhang, and P.M. Kelly, "On the Mechanism of the Poisoning Effects of Silicon on the Grain Refinement of Al-Si Alloys", Acta Mat, 55 (2007), 1447 – 1456.
2. W.A. Schneider, T.E. Quested, A.L. Greer, P.S. Cooper, Light Metals, 2003.
3. T. Sritharan and H. Li, "Influence of Titanium to Boron Ratio on the Ability to Grain Refine Aluminium Silicon Alloys", J. Mat. Proc. Tech, 63 (1997), 585 – 589.
4. Torres, Ruben, dkk. “Characterisation of an Aluminium Engine Block” Inderscience
Enterprises. 2006
5. Jorstad, John L., Rasmussen, Wayne M. Aluminium Casting Technology – 2nd edition,
Illinois : The American Foundry Society, 1993
6. B.T. Sofyan, B.W. Utomo and M.B. Setyawan, Characteristics of AC2B Aluminium Alloy
Modified with 2.0 wt. % Sn, Proc. Int Conf. on Recent Advances in Mechanical &
Materials Engineering, Kuala Lumpur, Malaysia, 30-31 May 2005, 555 - 560.
7. Shahrooz Nafisi , Reza Ghomashchi; “Grain Refining of Conventional and Semi-Solid A356 Al–Si Alloy” J. Mat. Proc. Tech., 174 (2006), 371–383
8. Juan Asenio-Lozano, Beatriz Suarez-Pena. “Effect of Addition of Refiners and/or Modifiers on the Microstructure of Die Cast Al-12Si Alloys”. Scripta Mat., 54 (2006), 943-947.
9. Manash Dash, Makhlouf Makhlouf, “Effect of Key Alloying Elements on the Feeding Characteristics of Aluminum-Silicon Casting Alloys”, J. Light Metals, 2001, 251-265 10. Bäckerud, Lennart; Chai; Guocai; Tamminen, Jarmo. Solidification Characteristics of
Aluminium Alloys : Volume 2 Foundry Alloys. Stockholm: Skan aluminium, 1990
11. Lim Ying Pio, Shamsuddin Sulaiman, Abdel Majid Hamouda, “Grain Refinement of LM6 Al–Si Alloy Sand Castings to Enhance Mechanical Properties” J. Mat. Proc. Tech.162–163 (2005), 435–441
