PEMBUATAN KOMPOSIT MATRIK LOGAM BERPENGUAT KERAMIK (Al/SiCP) DAN KARAKTERISASINYA MELALUI
METODE METALURGI SERBUK
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
JEPRIANDI GINTING 040801044
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2009
LEMBAR PENGESAHAN
PEMBUATAN KOMPOSIT MATRIK LOGAM BERPENGUAT KERAMIK (Al/SiCP) DAN KARAKTERISASINYA MELALUI
METODE METALURGI SERBUK Oleh:
NIM: 040801044 Jepriandi Ginting
Disetujui Oleh:
NIP: 320 004 614 Ir. Muljadi M.Si
Diketahui Oleh:
Kepala Pusat Penelitian Fisika PPF-LIPI
NIP: 320 002 584 Dr. Ing. Priyo Sardjono
LEMBAR PENGESAHAN
PEMBUATAN KOMPOSIT MATRIKS LOGAM BERPENGUAT KERAMIK (Al/SiCP) DAN KARAKTERISASINYA MELALUI
METODE METALURGI SERBUK
Pembimbing
NIP: 130 427 444
Dra. Ratna A. Simatupang, M.Si
Diketahui Oleh:
Departemen Fisika FMIPA USU Ketua
NIP: 320 002 584 DR. Marhaposan Situmorang
PERSETUJUAN
Judul : PEMBUATAN KOMPOSIT MATRIK LOGAM
BERPENGUAT KERAMIK (Al/SiCP) DAN KARAKTERISASINYA MELALUI METODE METALURGI SERBUK
Kategori : SKRIPSI
Nama : JEPRIANDI GINTING
Nomor Induk Mahasiswa : 040801044
Program Studi : SARJANA (S1) FISIKA
Departemen : FISIKA
Fakultas : MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN
ALAM (FMIPA) UNIVERSITAS SUMATERA UTARA.
Diluluskan di Medan, Februari 2009
Diketahui
Departemen Fisika FMIPA USU Pembimbing Ketua
Dr. Marhaposan Situmorang
NIP: 130 810 771 NIP: 131 945 363
Dra. Ratna A. Simatupang, M.Si
PERNYATAAN
PEMBUATAN KOMPOSIT MATRIK LOGAM BERPENGUAT KERAMIK (Al/SiCP) DAN KARAKTERISASINYA MELALUI
METODE METALURGI SERBUK
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya
Medan, Februari 2009
JEPRIANDI GINTING 040801044
PENGHARGAAN
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang Maha Pemurah lagi Maha Penyayang yang telah memberikan Rahmat, Karunia dan Bimbingan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tulisan yang berjudul Pembuatan Komposit Matrik Logam Berpenguat Keramik (Al/SiCp) dan Karakterisasinya Melalui Metode Metalurgi Serbuk. Yang dilaksanakan di Laboratorium Keramik dan Gelas P2F LIPI Serpong Tangerang sesuai dengan waktu yang ditetapkan.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dra. Hj. Ratna A. Simatupang.
M.Si selaku Dosen Pembimbing penulis serta Ir. Muljadi. M.Si, Deni S Khaerudini.
S.Si, Drs. Pardamean Sebayang, M.Sc., APU, Angito P Tetuko. ST selaku pembimbing di lapangan yang telah memberikan bimbingan, waktu dan tenaga kepada penulis dalam penyelesaian skripsi ini. Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada kepala Laboratorium Pusat Penelitian Fisika PPF-LIPI Serpong Dr. Ing. Priyo Sardjono, kepada Drs. Krista Sebayang. M.Si selaku Dosen Wali penulis selama mengikuti perkuliahan, kepada Ketua dan Sekretaris Jurusan Departemen Fisika DR.
Marhaposan Situmorang dan Dra. Justinon. M.Si, Dekan FMIPA USU Prof. Eddy Marlianto, M.Sc serta semua Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Fisika FMIPA USU.
Tidak lupa pula penulis ucapkan terima kasih kepada rekan-rekan ITI (Institut Teknologi Indonesia), Serpong Tangerang, semua mahasiswa Fisika khususnya stambuk 2004. Kepada rekan-rekan asisten dan Staf Laboratorium Fisika Dasar.
Kepada teman-teman kost Saymara Tower. Akhirnya tidak terlupakan ucapan terima kasih kepada yang paling kucintai dan kusayangi Ayahanda B. Ginting dan Ibunda R.
Surbakti yang telah memberikan dukungan baik materil maupun moril selama mengikuti perkuliahan, kepada kakakku tersayang Lili P Ginting, Amd, Merlina dan keluarga, Adekku Syahrialsyah, Adinda tersayang Triya Sulasih, S.Si Pamanku R.
Surbakti dan keluarga, Bibik Inem dan keluarga, Pak Uda Nasib dan seluruh keluarga serta yang tidak dapat disebutkan satu persatu, penulis ucapkan banyak terima kasih.
PEMBUATAN KOMPOSIT MATRIK LOGAM BERPENGUAT KERAMIK (Al/SiCP) DAN KARAKTERISASINYA MELALUI
METODE METALURGI SERBUK Abstrak
Komposit matriks logam (Metal Matrix Composites, MMC’s) adalah kombinasi dua material atau lebih dengan logam aluminium sebagai matrik dan dikembangkan untuk memperbaiki sifat logam, kekuatan, kesetabilan panas yang tinggi, dan kekerasan.
Komposit matrik aluminium sudah banyak dikembangkan karena memiliki densitas yang rendah, tahan korosi, murah dan mudah dipabrikasi. Teknik metalurgi serbuk adalah salah satu proses pabrikasi komposit matrik logam dalam kondisi padat yang masih dikembangkan karena lebih ekonomis, tidak memerlukan peralatan yang rumit Aluminium yang digunakan dalam penelitian ini adalah Al alloy jenis 2124.
Kemudian dilakukan variasi penambahan penguat (reinforcement) keramik SiCp
sebesar 20 dan 30 %wt. Pada proses pembuatan komposit dengan metode metalurgi serbuk, dilakukan proses coating oksida metal pada permukaan penguat SiCp dengan metode electroless platting dengan menggunakan larutan Al(NO3)3. Proses coating dilakukan untuk meningkatkan kebasahan (wettability) yang rendah antara matrik Al dengan penguat SiCp. Proses pembuatan komposit matrik logam dengan metode metalurgi serbuk menggunakan campuran basah (wet mixing) dengan medium ethanol, cold compaction 300 MPa dan innert gas atmosper menggunakan gas Nitrogen (N2) pada proses sintering. Variasi suhu sintering yang digunakan adalah 450, 500, 550, dan 600 oC dengan rata-rata kenaikan suhu 5 oC/min dan ditahan selama 1 jam dan dengan laju aliran gas Nitrogen (N2) 5 lt/min dengan tekanan 1000 kgf/cm2. Pengujian meliputi sifat fisis (seperti: densitas, porositas, koefisien ekspansi termal, dan ketahanan korosi), sifal mekanik (seperti: kuat tekan, kekerasan, dan ketahanan erosi), dan analisa mikrostruktur dengan menggunakan SEM dan XRD. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa sifat mekanis dan sifat fisis dari komposit matrik logam berpenguat keramik Al/SiCp meningkat dengan kenaikan suhu sintering dan dengan penambahan komposisi partikel penguat SiC dapat meningkatkan sifat mekanis dan sifat fisis seperti: kekerasan, ketahanan erosi, ketahanan korosi, koefisien ekspansi termal, dan ketahanan korosi.Dari pengujian mikrostruktur partikel SiC pada sampel uji tersebar secara homogen (merata) berdasarkan pengujian SEM, dan hasil uji analisa struktur kristal dengan XRD menunjukkan bahwa fase dominan yang muncul adalah Al dan SiC meskipun muncul fase baru yang bersifat degradasi yaitu Al4C3 tetapi masih dalam jumlah yang sangat kecil yang dipengaruhi oleh proses pre- treatmnet tingkat kebasahan (wettability) keramik SiCp.
FABICATION OF METAL MATRIX COMPOSITESREINFORCED BY CERAMIC (Al/SiCp) AND ITS CHARACTERISTIC
WITH POWDER METALLURGY METHOD Abstract
Metal Matrix Composites is two or more combination material with aluminum metal as matrix and devolved to fix metal act, strength, high temperature stability and hardness. Metal matrix composites have been developed so many because it has low density, corrosion proof, cheap and easy fabrication. Powder metallurgy technique is one of metal matrix composites fabrication process in solid state that still developed because more economic, doesn’t need difficult equipment. Aluminum that use in this research is Al alloy type 2124. Then it is done added variation reinforcement ceramics SiCp amount 20 and 30 %wt. in composites fabrication process with powder metallurgy method, it’s done coating oxide metal process at reinforcement surface SiCp with electroless platting method with using addition Al(NO3)3. Coating process is done for increase low wettability between matrix Al and reinforcement SiCp. Metal matrix composites fabrication process with powder metallurgy method using wet mixing with pure ethanol, cold compaction 300 MPa and inert gas atmospheric using Nitrogen gas (N2) at sintering process. Variation of sinter temperature that used is 450, 500, 550, and 600 oC with highly temperature average 5 oC/min and holding time for 1 hour and with speed flow Nitrogen gas (N2) 5 lt/min with pressure 1000 kgf/cm2. The testing include physical act (example: density, porosity, coefficient of thermal expansion, and resistance corrosion), mechanical properties (example: compressive strength, hardness, wear resistance), microstructure analysis with using SEM, and structure crystal analysis with using XRD. From research result can be conclude the mechanical properties and physical properties from metal matrix composites reinforced ceramics Al/SiCp increase with sinter temperature highly and with reinforcement particle addition SiC can increase mechanical properties and physical properties such as: hardness, wear resistance, coefficient of thermal expansion and resistance corrosion. From microstructure analysis, particle Sic distributed homogently at test specimen based on SEM analysis, and structure crystal analysis test result XRD show that dominant phase appear is Al, and Sic, eventhough it appear new phase that have characteristic degradation namely Al4C3 but it still in small amount influenced by wettability state pre-treatment ceramics SiCp process.
DAFTAR ISI
Halaman
Persetujuan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstrack
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Lampiran
Bab I Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1.2 Batasan Masalah
1.3 Tujuan Penelitian
1.4 Manfaat Penelitian
1.4 Tempat Penelitian
1.5 Sistematika Penelitian
Bab II Tinjauan Pustaka
2.1 Pengertian Komposit
2.1.1 Sifat dan Karateristik Komposit
2.1.2 Klasifikasi Komposit
2.2 Komposit Matriks Logam
2.3 Aluminium
2.4 Silicon Carbida (SiC)
2.5 Tipe Material Penyusun
2.5.1 Matriks (Matrix)
2.5.2 Penguat (Reinforcement)
2.6 Mekanisme Penguatan Komposit
2.6.1 Modulus Elastistas Komposit
2.7 Kebasahan (Wettability)
2.8 Pelapisan pada Partikel Penguat 2.9 Proses Pembuatan Komposit Matriks Logam 2.9.1 Proses Fase Cair (Liquid State Processing) 2.8.2 Proses Fase Uap (Physical Pavor Deposition, PVD) 2.9.3 Proses Fase Padat (Solid State Processing) 2.9.3.1 Pencampuran (Blending or Mixing)
2.9.3.2 Penekanan (kompaksi)
2.9.3.3 Proses Sintering
2.9.3.3.1 Prinsip Dasar Proses Sintering 2.9.3.3.2 Mekanisme Transport
Proses Sintering
2.9.3.3.3 Tahapan Sintering 2.9.3.3.4 Klasifikasi Sintering 2.9.3.3.5 Efek Sintering Terhadap
Sifat sampel 2.10 Karakterisasi Material Komposit
2.10.1 Sifat Fisis
2.10.1.1 Densitas
2.10.1.2 Porositas
2.10.1.3 Koefisien Ekspansi Termal
2.10.1.4 Korosi
2.10.1.4.1 Pengujian Korosi Dengan Tekanan
2.10.2 Sifat Mekanik
2.10.2.1 Kuat Tekan
2.10.2.2 Kekerasan (Vickers Hardness Test) 2.10.2.3 Ketahanan Erosi (Wear Resistance)
2.10.3 Analisa Mikrostruktur
2.10.3.1 SEM (Scanning Electron Microscope)
2.10.4 Analisa Struktur Kristal
2.10.4.1 XRD (X-Ray Diffraction) Bab III Metodologi Penelitian
3.1 Alat dan Bahan
3.1.1 Alat
3.1.2 Bahan
3.2 Diagram Alir Penelitian
3.2.1 Diagram Electroless Coating SiC 3.2.2 Skema Diagram Alir Pembuatan
Komposit Matriks Logam Al/SiCp
3.3 Variabel Eksperimen
3.3.1 Variabel Penelitian
3.3.2 Variabel Percobaan yang Diuji
3.4 Prosedur Penelitian
3.4.1 Preparasi Serbuk
3.4.2 Pencampuran (Mixing)
3.4.3 Pembuatan Sampel Uji
3.4.4 Proses Sintering
3.5 Pengujian
3.5.1 Sifat Fisis
3.5.1.1 Densitas
3.5.1.2 Porositas
3.5.1.3 Koefisien Ekspansi Termal 3.5.1.4 Pengujian Ketanan Korosi
3.5.2 Sifat Mekanik
3.5.2.1 Kuat Tekan (Compressive Strenght) 3.5.2.2 Kekerasan (Vickers Hardness Test) 3.5.2.3 Ketahanan Erosi (Wear Resistance)
3.5.3 Analisa Mikrostruktur
3.5.3.1 SEM (Scanning Electron Microscope)
3.5.4 Analisa Struktur Kristal
3.5.4.1 Difraksi Sinar-X (X-Ray Diffraction) Bab IV Hasil dan Pembahasan
4.1 Sifat Fisis
4.1.1 Densitas dan Porositas
4.1.1.1 Densitas dan Porositas Pra Sintering 4.1.1.2 Densitas dan Porositas Pasca Sintering 4.1.2 Koefisien Ekspansi Termal
4.1.3 Ketahanan Korosi
4.2 Sifat Mekanis
4.2.1 Kuat Tekan
4.2.2 Kekerasan (Vickers Hardness) 4.2.3 Ketahanan Erosi (Wear Resistance) 4.3 Analisa Mikrostruktur
4.3.1 Scanning Electron Microscope) 4.4 Analisa Struktur Kristal
4.4.1 X-Ray Diffraction)
Bab V Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan 5.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C LAMPIRAN D LAMPIRAN E LAMPIRAN F
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Mekanis Beberapa Komposit Matriks Logam
(f = filament, w = whisker)
Tabel 2.2 Serat, Matriks, Teknik Pabrikasi dan Penerapan
Komposit Matriks Logam.
Tabel 2.3 Beberapa Sifat Mekanis dan Sifat Fisis
Komposit Matriks Aluminium Berpenguat Keramik SiCp Tabel 2.4 Data Sheet Material Aluminium 2124 Tabel 2.5 Komposisi Kimia Aluminium 2124 Tabel 2.6 Data Sheet Material Silicon Carbide Tabel 2.7 Komposisi Kimia Penguat SiCp
Tabel 2.8 Tekanan Berbagai Serbuk Logam Tabel 4.1 Pengukuran Densitas dan Porositas Pra Sintering
Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Tabel 4.2 Pengukuran Densitas dan Porositas Pra Sintering
Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Tabel 4.3 Pengukuran Densitas dan Porositas Pasca Sintering
Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Tabel 4.4 Pengukuran Densitas dan Porositas Pasca Sintering
Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Tabel 4.5 Slope Grafik Hubungan Antara Perubahan
Temperatur Terhadap Perubahan Panjang Sampel
Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Tabel 4.6 Slope Grafik Hubungan Antara Perubahan
Temperatur Terhadap Perubahan Panjang Sampel
Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Tabel 4.7 Pengukuran Ketahanan Korosi
Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Tabel 4.8 Pengukuran Ketahanan Korosi
Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Tabel 4.9 Pengukuran Kuat Tekan Untuk
Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp
Tabel 4.10 Pengukuran Kuat Tekan Untuk
Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp
Tabel 4.11 Pengujian Kekerasan (Hardness Test)
Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Tabel 4.12 Pengujian Kekerasan (Hardness Test)
Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Tabel 4.13 Pengujian Ketahanan Erosi (Wear Resistance)
Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Tabel 4.14 Pengujian Ketahanan Erosi (Wear Resistance)
Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pembagian Komposit Berdasarkan Jenis
Penguat Yang Digunakan
Gambar 2.2 Ilustrasi Komposit Berdasarkan
Penguat Yang Digunakan
Gambar 2.3 Rentang Kekuatan Tarik Spesifik Longitudinal
Dan Modulus Spesifik Yang Dapat Dicapai
Oleh Komposit Matriks Logam
Gambar 2.4 Beberapa Contoh Aplikasi Komposit
Matriks Logam Dalam Dunia Industri Gambar 2.5 SEM Struktur Mikro Aluminium 2124 Gambar 2.6 Struktur Kubus β-SiC dan Struktur Heksagonal α-SiC Gambar 2.7 SEM Struktur Mikro Penguat SiCp
Gambar 2.8 Jenis Penguat Keramik
Gambar 2.9 SEM Struktur Mikro Penguat SiCp Setelah Dilapisi
Dengan Al(NO3)3
Gambar 2.10 Flowchart Proses MMC Secara Umum Gambar 2.11 Diagram Proses Pembuatan Komposit Matriks Logam
Dengan Metalurgi Serbuk (Komposit DWA) Gambar 2.12 Laju Massa Sebagai Respon Gaya Penggerak
Pada Mekanisme Transport
Gambar 2.13 Skema Pembentukan dan Pertumbuhan Leher
Pada Molekul Dua Partikel
Gambar 2.14 Proses Sinter Padat
Gambar 2.15 Pengaruh Suhu Sintering Pada: Porositas, Densitas
Tahanan Listrik, Kekuatan, dan Ukuran Butiran Gambar 2.16 Perambatan Stress Corrosion Crack Terhadap
Fungsi Intensitas Keretakan
Gambar 2.17 Pengujian Kuat Tekan Dengan Menggunakan UTM Gambar 2.18 Pengujian Kuat Tekan Sebelum dan Setelah Uji
Pada Beberapa Material Logam
Gambar 2.19 Pengujian Kuat Tekan Sebelum dan Sesudah
Pada Beton Dengan Diameter 150 mm Gambar 2.20 Vickers Hardness Indentation
Gambar 2.21 Difraksi Bidang Kristal
Gambar 2.22 Kristal Rotasi dan Metode Serbuk Difraksi
Gambar 2.23 Skema Prinsip Dasar SEM
Gambar 3.1 Skema Proses Electroless Coating SiCp Untuk
Meningkatkan Tingkat Kebasahan Keramik (Wettability) Gambar 3.2 Skema Diagram Alir Pabrikasi Alloy Aluminium 2124-SiCp
Komposit Matriks Logam Melalui Proses
Metalurgi Serbuk
Gambar 3.3 Skema Proses Sintering
Gambar 3.4 Sampel Uji Kuat Tekan Komposit
Matriks Logam Al/SiCp
Gambar 3.5 Sampel Uji Kuat Tekan yang Diletakkan Antara
Lempeng Penekanan
Gambar 3.6 Sampel Yang Hancur Setelah Pengujian Kuat Tekan Gambar 3.7 Daerah Uji Kekerasan dari Sampel Secara Acak Gambar 3.8 Hasil Pengujian Vickers Hardness
Gambar 3.9 Skema Alat Uji XRD
Gambar 4.1 Kemungkinan Bentuk Serbuk Al dan SiC Pada Saat Proses Kompaksi (a) Bola-Bola, (b) Bola-Bidang
dan (c) Bidang-Bidang
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Densitas Terhadap Perubahan Suhu Sintering untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp
Dan 70 : 30 %wt Al/SiCp
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Antara Porositas Terhadap Perubahan Suhu Sintering untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp
Dan 70 : 30 %wt Al/SiCp
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 450 oC Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Gambar 4.5 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 500 oC Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Gambar 4.6 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 550 oC Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Gambar 4.7 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 600 oC Untuk Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp Gambar 4.8 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 450 oC Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Gambar 4.9 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 500 oC Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Gambar 4.10 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 550 oC Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Gambar 4.11 Grafik Hubungan Antara Koefisien Ekspansi Termal
Dengan Suhu Pengukuran Pada Suhu Sintering 600 oC Untuk Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp Gambar 4.12 Grafik Hubungan Antara Perubahan Massa
Terhadap Waktu Pada Pengujian Korosi
Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp
Gambar 4.13 Grafik Hubungan Antara Perubahan Massa Terhadap Waktu Pada Pengujian Korosi
Komposisi 70 : 30 %wt Al/SiCp
Gambar 4.14 Grafik Hubungan Antara Kuat Tekan Dengan Perubahan Suhu Sintering pada Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp
dan 70 : 30 %wt Al/SiCp
Gambar 4.15 Grhuafik Hubungan Antara Kekerasan Terhadap Perubahan Suhu Sintering Pada Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp
dan 70 : 30 %wt Al/SiCp
Gambar 4.16 Grafik Hubungan Antara Ketahanan Erosi (Wear Resistance) Terhadap Perubahan Suhu Sintering Pada
Komposisi 80 : 20 %wt Al/SiCp dan 70 : 30 %wt Al/SiCp
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A Contoh Perhitungan
LAMPIRAN B Data-Data Hasil Pengukuran LAMPIRAN C Gambar Bahan Penelitian LAMPIRAN D Gambar Alat Penelitian
LAMPIRAN E Gambar Grafik Koefisien Ekspansi Termal Plotter Alat Dilatometer Harrop T-70
LAMPIRAN F Annual Book Standard Test Methods for Material ASTM
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Material yang murah dan mudah didapat tentu akan dapat mengurangi harga jual dan mengurangi biaya pembuatannya (manufacturing). Industri yang berbasis logam (seperti: velg kendaraan bermotor, turbin pembangkit tenaga listrik, piston untuk industri otomotif, peralatan mekanik, dll) di Indonesia pada umumnya masih meng-impor dari luar negeri, selain itu harga bahan baku yang relatif mahal. Pada umumnya material penyusun pada piston, velg, dan aplikasi lainnya pada kendaraan bermotor terbuat dari material casting (cor-an) berbasis besi (ferro). Namun untuk aplikasi material komposit logam pada dunia industri di Indonesia belum signifikan, mungkin karena hambatan teknik fabrikasi atau kendala teknis lainnya. Tetapi keunggulan dari material komposit bila diaplikasikan dalam dunia industri secara jangka panjang akan memberikan beragam keuntungan, seperti: reduksi berat komponen, anti korosi, tahan gesek (friction material), konduktifitas panas yang rendah, dan keunggulan mekanis dan fisis lainnya. Komposit logam yang sering digunakan saat ini yaitu komposit matrik logam berbasis aluminium karena merupakan salah satu bahan mineral yang paling melimpah dan murah di dunia.
Sedangkan penguat yang digunakan biasanya berbasis keramik dari beragam golongan (karbida, nitrida, dan oksida), seperti: SiC, B4C, TiC, berupa partikel, whisker, maupun berbentuk serat pendek Al2O3. (Zainuri, 2007)
Metalurgi serbuk (powder metallurgy) merupakan teknik fabrikasi yang sangat luas penerapannya dalam berbagai inovasi teknologi material dewasa ini. Dalam dunia industri, teknologi ini dapat diaplikasikan untuk berbagai karakteristik material, seperti sifat fisis yang meliputi sifat listrik, magnet, optik atau sifat mekanik.
Keunggulan penerapan dari teknologi berbasis serbuk antara lain dapat menggabungkan berbagai sifat material yang berbeda karakteristik, sehingga menjadi sifat yang baru sesuai dengan yang direncanakan (design). Material komposit dengan material dasar pembentuk berupa matrik dan penguat berbentuk serbuk, termasuk
golongan komposit isotropik dimana semua arah penguat (reinforce) mempunyai besar yang sama.
Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites, MMC’s) dengan matrik alumunium dan penguat SiC berbasis serbuk atau juga dikenal dengan komposit isotropik Al/SiC merupakan material yang berperan potensial dengan aplikasi serta pengembangan yang luas. Komposit ini mempunyai keunggulan dalam kekuatan dan ketahanan terhadap aus. Komposit ini juga banyak digunakan sebagai material dasar komponen produk otomotif seperti gear, piston, disc brake (rem cakram) dan komponen produk otomotif lainnya.
Komposit merupakan salah satu bahan alternatif yang banyak digunakan untuk menggantikan bahan-bahan konvensional yang dari segi kuantitas dan kualitasnya semakin menurun. Salah satu dari bahan konvensional tersebut adalah alumunium (Al), yang selama ini dikenal sebagai bahan yang mempunyai sifat fisika ringan, plastis, dan tahan terhadap korosi dengan memanfaatkan sistem proses pembuatan komposit serbuk metalurgi (composite of powder metallurgy). Dengan cara sistem pembuatan tersebut bahan Alumunium yang mempunyai sifat plastis, bila diberi penguat bahan keramik SiC dengan sifat yang keras, akan mempunyai sifat baru yaitu diantara plastis dan keras. Hal ini dapat terjadi apabila ada keterikatan antar permukaan serbuk Alumunium dan serbuk SiC. Kualitas ikatan antar permukaan yang terjadi antara Al dan SiC dipengaruhi oleh besarnya tekanan (kompaksi) pada saat proses pembuatan bahan komposit. Tekanan yang terlalu kecil akan menyebabkan ikatan awal antara permukaan Al dan SiC lemah, oleh karena itu pada saat proses sintering akan mengalami pelepasan ikatan. Untuk ikatan yang terlalu besar jauh di atas yield strength (titik luluh) dari matrik akan menyebabkan terjebaknya gas (traping gas) atau pelupas padat setelah proses penekanan, maka pada saat sintering hal tersebut menyebabkan keretakan pada komposit. Untuk menghindari peristiwa yang tidak diharapkan, maka diperlukan pemberian tekanan yang tepat agar ikatan antar permukaan tidak terlalu lemah dan tidak terlalu kuat, dengan demikian proses difusi yang terjadi antar permukaan matrik dan penguat dapat terjadi dengan sempurna. Disamping itu, permasalahan yang sering dihadapi dalam pembuatan komposit matrik aluminium dengan metalurgi serbuk adalah masalah kebasahan
(wettability), karena kebasahan partikel penguat (reinforce) terhadap matrik merupakan faktor utama terbentuknya ikatan (difusi). Faktor-faktor yang mempengaruhi kebasahan, antara lain: keseragaman (homogenitas) pada saat mixing serbuk matrik dan penguat, proses sintering, waktu, dan lingkungan atmosfer. Semua faktor tersebut sangat menentukan kualitas dari proses pembuatan komposit tersebut.
(Khaerudini, 2008)
Dalam pembuatan komposit dengan proses metalurgi serbuk, serbuk matrik Al dan partikel penguat SiC dicampur (wet mixing) kemudian dimasukkan kedalam cetakan (mould) dan dikompaksi dengan menggunakan hidraulic press dengan tekanan 300 MPa dan ditahan selama 5 menit untuk mendapatkan green body dengan densitas sampel berkisar 80%. Setelah proses tersebut kemudian dilakukan proses sintering, proses sintering dilakukan dalam lingkuangan atmosfer Nitrogen (innert gas) dan suhu sintering divariasi sampai batas 600 oC (dibawah titik leleh aluminium) dan ditahan selama 1 jam. Pada penelitian ini partikel keramik SiC dibasahi (wetttability) dengan menggunakan Al(NO3)3.
1.2 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini batasan masalah yang dibahas meliputi:
1 Variasi suhu sintering mulai dari 450, 500, 550, dan 600 0C dengan waktu tahan (holding time) selama 1 jam.
2 Pengaruh komposisi dari Al/SiC terhadap sifat mekanis dan fisis komposit matrik logam, dalam penelitian ini perbandingan komposisi matrik Al dan penguat SiC adalah 70 : 30 dan 80 : 20 %wt.
3 Pengujian sifat-sifat fisis meliputi:
a. Densitas.
b. Porositas.
c. Koefisien Ekspansi Termal.
d. Korosi.
4 Sifat Mekanik
a. Kuat tekan (compressive strength).
b. Kekerasan (hardness vicker).
c. Ketahanan erosi (wear resistance).
5 Analisa Mikrostruktur
a. SEM (Scanning Electron Microscope) 6. Analisa Struktur Kristal
a. XRD (X-Ray Difraction)
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk mengetahui karakterisasi dari komposit matrik logam berpenguat keramik Al/SiCp.
2. Untuk mengetahui sifat mekanik dan fisis dari komposit matrik logam Al/SiCp untuk bermacam-macam parameter pengujian.
3. Untuk memanfaatkan sumber daya alam yang melimpah di Indonesia sebagai pengembangan industri khususnya dalam pembuatan komposit matrik logam.
4. Untuk mengetahui aplikasi dari komposit matrik logam berpenguat keramik Al/SiCp dalam berbagai industri maupun dalam kehidupan sehari-hari.
1.4 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang telah dilakukan, diharapkan dapat menambah pengetahuan dan wawasan tentang proses pembuatan (manufacturing) dan karakterisasi dari komposit matrik logam berpenguat keramik Al/SiCp untuk bermacam-macam aplikasi dalam sektor industri seperti: industri otomotif, penerbangan (aerospace), rumah tangga, dan lain-lain dengan memanfaatkan sumber daya alam lokal yang melimpah di Indonesia seperti logam aluminium dan silicon carbida.
1.5 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Uji Material Keramik dan Gelas, Pusat Penelitian Fisika LIPI Gd. 440 Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Desa Setu, Kecamatan Setu, Kabupaten Tangerang, Kode Pos 15310, Provinsi Banten, Indonesia.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing-masing bab adalah sebagai berikut:
Bab I Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah yang akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat penelitian, tempat penelitian, dan sistematika penulisan.
Bab II Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa data serta pembahasan.
Bab III Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian, diagram alir penelitian, prosedur penelitian, pengujian sampel.
Bab IV Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data yang diperoleh dari penelitian.
Bab V Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian dan memberikan saran untuk penelitian yang lebih lanjut.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Komposit
Material komposit didefinisikan sebagai campuran makroskopik antara serat dan matrik yang bertujuan untuk menghasilkan suatu material baru yang memiliki sifat dan karakteristik yang berbeda dari unsur penyusunnya. Dengan perbedaan material penyusun komposit, maka antara matrik dan penguat harus saling berinteraksi antar muka (interface), sehingga perlu ada penambahan material katalis berupa wetting agent. Pada material komposit serat berfungsi untuk memperkuat matrik karena pada umumnya serat jauh lebih kuat dibandingkan dengan matrik, sedangkan matrik berfungsi untuk melindungi serat dari efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan (impact).
Beberapa defenisi dasar dari komposit sebagai berikut:
a. Sub-Mikro (nano) yang artinya molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh: senyawa, paduan (alloy), polimer, dan keramik).
b. Mikrostruktur yang artinya pada kristal, fase, dan senyawa, bila material disusun dari dua fase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh: paduan Fe dan C).
c. Makrostruktur yang artinya material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara makro ini yang biasa dipakai dalam mendefinisikan komposit).
Secara umum, penyusun komposit terdiri dari dua atau lebih material yang menimbulkan beberapa istilah dalam komposit, seperti: matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), penguat (penahan beban utama), interphase (pelekat antara matrik dan penguat), dan interface (permukaan fase yang berbatasan dengan fase lain).
2.1.1 Sifat dan Karakteristik Komposit
Sifat maupun karakteristik dari komposit ditentukan oleh beberapa faktor:
a. Material yang menjadi penyusun komposit.
Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun dan dapat ditentukan secara teoretis dengan pendekatan metode rule of mixture (ROM), sehingga akan berbanding secara proporsional.
b. Bentuk dan struktur penyusun dari komposit.
Bentuk (dimensi) dan struktur (ikatan) penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit.
c. Interaksi antar penyusun.
Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit.
2.1.2 Klasifikasi Komposit
Pada umumnya komposit dapat dibagi menjadi tiga kategori, antara lain:
1. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC). Bahan ini merupakan bahan yang paling sering digunakan atau sering disebut dengan Polimer Berpenguatan Serat (Fibre Rainforced Polymers or Plastics – FRP). Komposit ini menggunakan suatu polimer berbasis resin sebagai matriknya, dan jenis serat tertentu sebagai penguat, seperti: serat kaca, karbon, dan aramid (kevlar).
2. Kompsit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC). Material komposit ini biasanya digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) yang terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida.
3. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC). Ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini pada umumnya menggunakan suatu logam seperti aluminium (Al) sebagai matrik dan penguatnya dengan serat silicon carbida (SiC).
Adapun pembagian komposit berdasarkan jenis penguat yang digunakan seperti ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Pembagian komposit berdasarkan jenis penguat yang digunakan (Pramono, 2008)
Berdasarkan Gambar 2.1, dapat diketahui bahwa, berdasakan jenis penguat yang digunakan komposit dapat dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:
a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel.
b. Fibre composite, penguatnya berbentuk serat.
c. Structural composite, cara penggabungan material komposit berbentuk laminat atau panel. (Pramono, 2008)
Ilustrasi komposit berdasarkan penguat yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini.
Gambar 2.2 Ilustrasi komposit berdasarkan penguat yang digunakan (Pramono, 2008)
a. Partikel b. Fiber c. Struktur
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
A
C B
Mempunyai arah Lebih murah
Isotropik Komposit berbasis Al
0,1 0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
50 100 150
A = Partikel S0.2778iC Whisker 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 dan tekanan. Dalam
logam Aluminium, secara umum kuat tekan lebih besar 2%
dibandingkan dengan kuat tarik
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
@Temperatur20.0 - 100 °C
12.7 µin/in-°F
@Temperatur 68.0 - 212 °F
AA; Typical;
Jarak rata-rata akhir 24.7 µm/m-°C
@Temperatur 20.0 - 300 °C
13.7 µin/in-°F
@Temperatur 68.0 - 572 °F
Rata-rata 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
AA; Batas khusus untuk komposisi pembuatan dengan
metode tempa dengan ketebalan ¼ inci atau lebih besar.
Eutektik titik leleh diabaikan pada
keseragaman.
Solidus 502 °C 935 °F AA; Typical
Liquidus 638 °C 1180 °F AA; Typical
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
2.4 Silicon Carbida (SiC)
Silicon Carbida (SiC) adalah material keramik non oksida yang dibuat dengan memanaskan karbon dengan silika di dalam tungku listrik. Politipe silicon carbida yang paling sederhana adalah struktur intan. Dikenal beberapa fase dalam dari SiC, antara lain: fase kristalin yang terdiri dari α-SiC dengan truktur heksagonal dan β-SiC dengan struktur kubus.
Dalam β-SiC atom Si dan C teletak pada posisi berselang-seling dari tipe intan kubus, sedangkan α-SiC mempunyai susunan heksagonal dan rhombohedral dan mempunyai tetrahedral seperti ditunjukkan pada gambar 2.5. Pada suhu 2700 oC SiC terdekomposisi menjadi gas Si dan grafit. Pada temperatur oksidatif SiC cenderung membentuk lapisan oksida SiO2, sehingga pada atmosfer oksidatif SiC tahan hingga suhu 1500-1699 oC, serta tahan hingga suhu 2200 oC pada temperatur inert. Sifat SiC yang istimewa, antara lain: memiliki densitas 3,22 g/cm3, memiliki hantaran panas yang tinggi, tahan pada temperatur yang tinggi, nilai kekerasan yang tinggi, tahan kejutan termal yang baik karena merupakan kombinasi dari hantaran panas yang tinggi dan koefisien muai panas yang rendah, serta tahan korosi seperti diperlihatkan pada tabel 2.4 dan komposisi kimia dari SiC ditunjukkan pada tabel 2.5.
(a) (b)
x
y z
y z
x
Gambar 2.5 (a) Struktur kubus β-SiC, (b) Struktur heksagonal α-SiC (Surdia dan Saito, 1985)
Sifat tahan korosi SiC ditunjukkan dengan ketahanan SiC terhadap abu batubara, slag asam, dan slag netral. Ketahanan panas SiC ditunjukkan dari suhu uraian yang mencapai 2200 - 2700 oC. Pada 1000 oC terbentuk lapisan oksidasi berupa SiO2. Dan kelemahan SiC adalah ketahanan oksidasi di udara hanya mampu mencapai 1700 oC. (Potter, 1990)
Tabel 2.4 Data sheet material silicon carbide
(Sumber, up-date Desember 2008, http://www.matweb.com)
Sifat Fisis Satuan Inggris
Densitas 3.22 g/cc 0.112 lb/in³
Sifat Mekanik Satuan Inggris
Modulus Elastisitas 410 GPa 59500 ksi
Kuat Tekan 4600 MPa 667000 psi
Poissons Ratio 0.140 0.140
Kuat Patah 4.60 MPa-m½ 4.19 ksi-in½
Sifat Termal Satuan Inggris
Kapasitas Panas 0.670 J/g-°C 0.160 BTU/lb-°F
Konduktivitas termal 77.5 W/m-K
@Temperature 400 °C
538 BTU-in/hr-ft²-°F
@Temperature 752 °F 125.6 W/m-K
@Temperature 200 °C
871.7 BTU-in/hr-ft²-°F
@Temperature 392 °F CTE, linear 20°C 4.51 - 4.73 μm/m-°C 2.51 - 2.63 μin/in-°F
Tabel 2.5 Komposisi kimia penguat SiCp
Element %SiC %Al2O3 %SiO2 %Fe2O3
Wt % 94,7 0.3 4.4 0.6
2.5 Tipe Material Penyusun Komposit
2.5.1 Matrik (Matrix)
Matrik adalah pengisi ruang komposit dan memegang peranan penting dalam mentransfer tegangan antar matrik. Selain itu, matrik juga berfungsi melindungi penguat dari kondisi lingkungan luar dan menjaga permukaan partikel dari pengikisan.
Matrik memiliki kelemahan dalam menahan beban dalam struktur komposit, akan tetapi ada beberapa jenis komposit memiliki kelebihan dalam pembebanan geser.
Material matrik mempunyai peranan penting pada fungsi dari komposit secara keseluruhan. Material dari matrik ini harus memenuhi standar dari kekuatan,
kekakuan, kelembaman dan ketahanan terhadap lingkungan, ketahanan terhadap temperatur tinggi, serta biaya sehingga menghasilkan performance yang baik.
Dalam pembuatan komposit matrik logam yang menggunakan penguat kontinu maupun tak kontinu, beberapa pertimbangan yang harus dilakukan untuk menentukan pilihan terhadap material penguat. Penggunaan serat kontiniu sebagai penguat untuk pembuatan komposit matrik logam dapat menghasilkan transfer pembebanan yang lebih baik dibandingkan dengan menggunakan serat monofilamen. Matrik logam yang menggunakan penguat serat kontinu pada pembuatan komposit matrik logam memiliki sifat mekanik yang cenderung pada kelelahan dibandingkan dengan kekuatan.
Pembuatan komposit matrik logam dengan serat kontinu memiliki kekuatan yang rendah dan rapuh. Dalam pembuatan komposit matrik logam menggunakan penguat tak kontiniu dapat meningkatkan sifat mekanik dari material komposit tersebut karena merupakan penguat yang isotropik dimana semua arah pengutannya mempunyai besar yang sama.
Dewasa ini, penelitian dan pengembangan dalam pembuatan komposit matrik logam lebih mengacu pada logam yang memiliki bobot yang ringan (densitas rendah) dan mudah dibentuk seperti Al, Ti, Mg, Cu, dan super alloy. Pemilihan material logam tersebut dilakukan atas pertimbangan umur pemakaian, sifat mekanis, dan sifat fisis. Diantara semua jenis logam tersebut yang paling bayak dikembangkan secara luas saat ini adalah matrik logam aluminium, dibawah ini akan dijabarkan beberapa matrik yang digunakan dalam pembuatan komposit matrik logam beserta penguat yang digunakan.
1. Komposit matrik aluminum
a. Serat kontinu: boron, silicon carbida (SiC), serat alumina, dan grafit.
b. Serat tak kontinu: alumina dan serat alumina silika.
c. Whisker : Silicon carbida (SiC).
d. Partikel : Silicon carbida (SiC) dan boron carbida.
2. Komposit matrik magnesium
a. Serat kontinu: grafit dan serat alumina.
b. Whisker: Silicon carbida (SiC).
c. Partikel : Silicon carbida (SiC) dan boron carbida.
3. Komposit matrik titanium
a. Serat kontinu: Silicon carbida (SiC) dan boron yang dilapisi.
b. Partikel : titanium carbida.
4. Komposit matrik tembaga
a. Serat kontinu: grafit dan silicon carbida (SiC) b. Wires: niobium-titanium, niobium-tin.
c. Particulates: Silicon carbida (SiC) , boron carbida, dan titanium carbida.
5. Komposit matrik superalloy a. Wires : tungsten wires.
2.5.2 Penguat (Reinforcement)
Dalam pembuatan komposit penguat yang digunakan baik berupa serat, partikel dan monofilamen berfungsi untuk menguatkan material komposit tersebut.
Disamping itu partikel penguat juga berfungsi untuk menahan beban yang diterima oleh komposit, mempengaruhi ke-elastis-an dan meningkatkan kekuatan dari komposit tersebut.
Dalam pemilihan jenis penguat untuk pembuatan komposit matrik logam harus memenuhi beberapa sifat, dimana sifat tersebut sangat menentukan karakteristik dari material komposit yang dihasilkan. Bebrapa sifat yang harus dimiliki oleh partikel penguat adalah sebagai berikut:
a. Memiliki densitas yang rendah (low density) b. Memiliki modulus Young dan Elastisitas yang tinggi c. Kesetabilan panas.
d. Koefisien ekpansi termal yang rendah.
e. Sifat listrik yang baik.
f. Memiliki kuat tekan dan kuat tarik yang tinggi.
g. Mudah dalam pemerosesan.
h. Tahan terhadap abrasi dan korosi.
i. Biaya
Penguat yang digunakan dalam proses pembuatan komposit matrik logam dapat dikategorikan menjadi empat, yaitu: whisker, partikel (particulates), dan serat pendek, dan penguat serat kontinu, seperti pada gambar 2.6, penguat yang umum digunakan dalam pembuatan komposit matrik logam adalah penguat yang terbuat dari keramik. (Karl U. K, 2006)
Gambar 2.6 (a) Penguat Mono filaments, (b) Whiskers/Short fiber, dan (c) Partikel (Karl U. K, 2006)
a. Penguat whisker
Pada akhir tahun 1970-an mulai dikembangkan penelitian dan pengembangan proses pembuatan penguat SiC whisker. Pembuatan penguat SiCw berpotensi menurunkan harga dari partikel penguat dan dapat meningkatkan penelitian dibidang komposit matrik logam. Penguat SiCw memiliki diameter sekitar 0,1 mikron dan perbandingan diameter dengan panjang penguat SiCw pada proses produksi adalah 100 : 1. Pembuatan penguat SiCw setiap tahun terus meningkat dan produk utama adalah dalam berbagai perbandingan panjang dan diameter.
b. Penguat Particulates
Pada tahun 1978 DWA Composite Specialties Inc (USA). Memperkenalkan satu alternatif dalam pembuatan komposit matrik logam dengan menggunakan penguat particulates silikon karbida (SiC). Penguat particulates secara komersial tersedia dengan ukuran kira-kira 0,5 micron sampai dengan 100 micron. Penguat particulates dapat diaduk (blending), lebih efesien dan memiliki persen volume yang tinggi bila dibandingkan dengan penguat whisker. Penguat particulates saat ini banyak dikembangkan dalam jumlah besar untuk industri yang memproduksi bahan yang tahan terhadap gesekan (friction material).
(a) (b) (c)
c. Penguat serat pendek (short fiber reinforcement)
Pada awal 1980-an, komposit dibuat dengan menggunakan serat pendek dan serat aluminium oksida polycrystalline. Serat aluminium oksida ini pertama digunakan untuk pembuatan ring piston mesin diesel. Pengembangan ini bertujuan untuk menyempurnakan dan meningkatkan produksi komposit disamping harga yang relatif murah dan ketersediaan volume yang tinggi.
Secara umum serat pendek tidak meningkatkan kekuatan akhir dari komposit matrik logam di dalam temperatur ruang. Akan tetapi, ketahanan suhu komposit logam dengan mengguankan serat pendek dapat mencapai 573 K dibandingkan dengan campuran logam biasa yang hanya sampai 473 K.
d. Penguatan serat Kontinu
Dari tahun 1960-an sampai dengan 1970-an, telah dilakukan pengembangan satu usaha besar membuat untuk mengembangkan penguat serat kontinu untuk pembuatan komposit logam. Jenis serat kontinu, antara lain: boron pada tungsten, silicon carbida pada tungsten, dan kristal tunggal alumina.
Pengembangan komposit dengan menggunakan serat kontiniu memiliki beberapa kendala yaitu biaya pembautan relatif mahal dan hal ini dapat ditekan apabila ada suatu perusahaan yang memproduksi serat kontiniu dalam skala besar.
2.6 Mekanisme Penguatan Komposit
Karaktristik material komposit dengan menggunakan matrik logam sangat ditentukan oleh mikrostruktur dan interfarsial internal. Dengan demikian mikrostruktur dan interfarsial internal serta fase-fase yang terbentuk mempunyai pengaruh yang cukup signifikan sebagai matrik pada komposit. Komposisi kimia, ukuran butiran bentuk, dan cacat kisi merupakan masalah yang cukup menonjol dalam mempengaruhi sifat mekanik matrik. Penguat dalam material komposit dikenal sebagai fase kedua (secondary phase) atau fase diskontiniu yang dikarakterisasi berdasarkan persentase fraksi volume, jenis, ukuran distribusi, dan orientasi. Berbagai variasi tegangan dalam internal tension yang mengakibatkan adanya perbedaan koefisien muai panjang (thermal expansion) dari material pembentuk komposit matrik, penguat, dan juga merupakan faktor tambahan yang sangat berpengaruh
terhadap material komposit. Dengan mengetahui karakteristik komponen-komponen material pembentuk komposit, persentase volum penguat, distribusi, dan orientasi dapat mengestimasi karakteristik material komposit berbasil matrik logam.
Pendekatan-pendekatan kondisi ideal merupakan suatu cara untuk memudahkan menganalisa material komposit, seperti optimalisasi batas interaksi interfarsial, distribusi penguat yang homogen, dan fase atau pengendapan, analisa tegangan pada material komposit dapat disederhanakan dengan model penguat partikel.
Ketergantungan pada arah beban dan perbedaan konstanta elastisitas pada komposit logam sangat menentukan dalam menganalisa tegangan-tegangan yang terjadi pada komposisit saat menerima beban dari luar. Konstanta-konstanta elastisitas seperti E modulus elastis dan G modulus geser, merupakan hal yang paling berperan dalam menganalisa tegangan komposit. Hal sederhana dapat digunakan untuk mengestmasi kekuatan komposit yang diperkuat oleh partikel atau komposit dengan tegangan anisotropik dan isotropik. (Zainuri, 2007)
2.6.1 Modulus Elastisitas Komposit
Nilai modulus elastisitas komposit matrik logam dapat dihitung secara teori menggunakan pendekatan dengan rumus ROM (Rule of Mixtures) dan rumus ini dapat menentukan nilai strength-strain yang belum diketahui. Dari rumus pendekatan ROM batas antara modulus elastisitas dapat dicari dengan persamaan dibawah ini
Untuk upper limit.
EC = Ep Vp + Em Vm (2.1)
Untuk lower limit.
EC = Em Ep
EpVm+ EmVp (2.2)
Dimana Vp dan Vm adalah persentase volume penguat dan matrik. EC, Ep, dan Em
merupakan modulus elastik dari komposit, partikel penguat dan matrik. (Khaerudini, 2008)
2.7 Aspek Kebasahan (Wettability)
Aspek kebasahan (wettability) material penguat terhadap matrik metalik cair merupakan faktor utama kaidah terbentuknya ikatan. Variabel kebasahan antara matrik dan penguat sangat bergantung kepada temperatur pemanasan, struktur elektrolit pada penguat dan matrik, waktu, lingkungan atmosfir, ukuran partikel dan kristalografi. Penguat dengan ikatan atom metalik dan kovalen seperti pada material padat (solid) TiC dan SiC lebih mudah dibasahi dibandingkan dengan material ikatan ionic seperti pada material alumina. Kekasaran permukaan penguat akan meningkatnkan interlocking mekanik interfarsial antara keramik dan penguat hal ini akan berdistribusi terhadap kekuatan geser interfarsialnya disamping ikatan secara kimiawi. Perbedaan koefisien ekspansi termal antara antara matrik dan penguat akan mengakibatkan tegangan internal pada matrik dan akan meningkatkan kegagalan pada daerah interfarcial. Pada material komposit matrik logam reaksi interfarsial yang dilakukan dengan variabel temperatur, di dalam metal matrik cair cenderung terbentuk material oksida atau carbida. Dalam beberapa kasus pada kompsoit Al/SiC, reaksi interfarsial terjadi dibawah garis solidusnya. Reaksi oksidasi yang yang terjadi pada matrik dapat mereduksi sifat kebasahan dengan material penguat. Rekasi kimiawi pada daerah interfarsial dapat menyebabkan terlepasnya (debonding) penguat terhadap matrik. Hal tersebut merupakan fenomena kegagalan dalam proses pembuatan material komposit. Terbentuknya material yang bersifat getas pada daerah interfarsial dapat menyebabkan material penguat kurang terdistribusi sebagai pentransmisi tegangan dari matrik.
Hubungan antara reaksi interfarsial terhadap kekuatan material komposit sangat bergantung kepada jenis material-material pembentuk komposit. Selama sistem tidak reaktif seperti terbentuknya material karbida yang bersifat memperlemah interfarsial yang bersifat destruktif, pada prinsipnya reaksi kimia pada daerah interfarsial sekecil mungkin dapat dihindari apabila hasil reaksinya akan bersifat dekstruktif. Salah cara untuk mendapatkan ikatan yang baik antara matrik dan penguat pada matrik komposit matrik logam, mempercepat proses solidifikasi untuk menghindari reaksi interfarsial yang berlebihan pada saat proses pendinginan.
Perbedaan kapasitas dan konduktivitas panas antar apenguat dengan matrik akan
