PENGARUH TEMPERATUR HOT-PRESS TERHADAP
KARAKTERISTIK KOMPOSIT AC8A/SICP
H. Sulaikan1, T. Mustika2, I.N. Jujur3 Pusat Teknologi Material BPPT Gedung 224, Kawasan Puspiptek Tangerang Selatan – Banten 15314
Naskah diterima 1 Agustus 2013; direvisi 20 Agustus 2013; disetujui terbit 29 Agustus 2013
Abstract
Formulated a simple process to become easier in application of composites fabrication was the main background of this research. In this research, we investigate how far hot forming mechanism in open air is affecting to mechanical properties of composite made from aluminium alloy powder reinforced by SiC particles. The raw material of composites consists of AC8A flakes that have been
reduced in particle size as a matrix, which added 20% volume SiC particles as reinforcement. AC8A/SiCp composites made by hot-press pressure of 425 MPa
at a temperature variation which is 360˚C, 380˚C, 400˚C and 430˚C in unconditioned air. Density measurements and Vickers hardness test have been
done to see the effect of temperature on the characteristics of composite AC8A/SiCp. Matrix hardness values increased with increasing temperature up to 400 ˚C and decreased at 430 ˚C, while the density and hardness value of the composite increased with increasing temperature.
Keywords : aluminium matrix composites, unconditioned air hot-press, hot-press temperature
EFFECT OF HOT-PRESS TEMPERATURE ON
CHARACTERISTIC OF AC8A/SIC
P
COMPOSITES
Abstrak
Perencanaan suatu proses produksi sederhana yang mudah diaplikasikan merupakan latar belakang dari riset ini. Pada riset ini dipelajari sejauh mana mekanisme pembentukan bahan dengan proses hot press metalurgi serbuk di lingkungan udara yang tidak dikondisikan berpengaruh terhadap karakteristik Aluminium Matrix Composites (AMCs). Komposit terbuat dari serpihan AC8A cor
yang di haluskan sebagai matrik dan 20% Vf partikel SiC sebagai penguat.
Komposit AC8A/SiCp dibuat dengan tekanan hot-press sebesar 425 MPa pada
beberapa variasi temperatur yaitu 360˚C, 380˚C, 400˚C dan 430˚C di lingkungan udara yang tidak dikondisikan. Dilakukan pengukuran densitas dan uji kekerasan Vickers untuk melihat pengaruh temperatur terhadap karakteristik komposit
AC8A/SiCp. Nilai kekerasan matrik meningkat seiring dengan peningkatan
temperatur hingga 400˚C dan menurun pada 430˚C, sedangkan densitas dan nilai
___________________________________________________________________________________________________
78 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84)
kekerasan komposit meningkat seiring dengan peningkatan temperatur.
Kata kunci : komposit matrik aluminium, hot-press di lingkungan udara yang tidak dikondisikan,temperatur hot-press.
1. PENDAHULUAN
Pengembangan Komposit Matrik Logam
(Metal Matrix Composites / MMCs) menjadi salah satu inovasi utama di bidang material pada 25 tahun terakhir. Logam-logam ringan yang diperkuat partikel penguat telah menjadi perhatian para produsen bahan dan pengguna akhir karena keunggulan sifat fisik serta mekanik yang dicapai, serta dimungkinkan untuk melakukan modifikasi sifat fisik bahan membuat MMCs bermanfaat dalam berbagai
aplikasi. Komposit Matrik Aluminium
(Aluminium Matrix Composites / AMCs) adalah jenis komposit yang paling banyak diminati dengan tingginya rasio kekuatan-per-massa (strength-to-weight ratio) dengan dimungkinkan dilakukannya peningkatan kekuatan mekanik,
ketahanan aus, ketahanan korosi serta
penurunan koefisien ekspansi termal yang lebih
besar dibanding material konvensional
(Rohatgi, 2001, Das, 2004, Kumar et al., 2010, Neelima et al., 2011).
MMCs dapat diproduksi menggunakan berbagai macam teknik. Dengan mengubah metode manufaktur seperti pemprosesan dan finishing, begitupula dari pemilihan geometri
komponen penguat, memungkinkan
diperolehnya karakteristik yang berbeda
meskipun berasal komposisi dan jumlah
komponen pembentuk yang sama
(Kainer, 2006). Pada skala industri, proses produksi MMCs dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok mengacu pada fasa matrik pada saat dilakukan proses pembentukan yaitu
proses pada fasa padat dan fasa cair (Kainer, 2006, Ramesh et al., 2010).
MMCs isotropik yang diproduksi dengan proses metalurgi serbuk (Powder Metalurgy / P/M), menggunakan prinsip deformasi serbuk logam yang diperkuat komponen partikel
penguat. Metode produksi komposit ini semakin berkembang sejalan dengan keuntungan dari proses P/M, seperti tingkat kepresisian yang tinggi terhadap dimensi produk sehingga
memungkinkan pembuatan komponen
mendekati bentuk akhir (near net shape), kemampuan pemprosesan logam-logam reaktif dan logam refractory untuk menghasilkan sifat yang tidak dapat dicapai melalui proses
pengolahan logam konvensional, serta
kemampuan dilakukannya rekayasa pemaduan yang memberikan terobosan baru dalam perancangan paduan komposit. Di sisi lain kekurangan utama dari metode P/M adalah biaya yang tinggi dimana komponen biaya terbesar adalah pada bahan baku yang mahal
karena menggunakan bubuk pre-alloyed
dengan sintesa khusus. Selain itu untuk komponen-komponen yang tidak langsung diproduksi mendekati bentuk akhir ataupun yang memerlukan proses sekunder seperti penempaan atau pemesinan khusus, akan
mendapat permasalahan baru dalam
pembentukan komponen keramik
(Schaffer, 2004).
Powder Metalurgy (P/M) dilakukan melalui beberapa tahapan yaitu penekanan dingin (cold pressing) dan dilanjutkan dengan proses sintering. Pada proses sintering dapat dilakukan secara simultan dengan kompaksi (uniaxial hot-pressing atau hot isostatic pressing). Hot-press dapat meningkatkan kualitas hasil cor, meningkatkan densitas komponen pra-sinter, serta meningkatkan ikatan antarmuka partikel. Hot-press menggabungkan tekanan tinggi dan suhu tinggi secara simultan di dalam wadah yang khusus. Di bawah panas dan tekanan, internal pori ataupun cacat di dalam material padat akan berdifusi. (Hong and Chung, 1995,
____________________________________________________________________________________________________
Pengaruh Temperatur Hot-Press...(H.Sulaikan1,T.Mustika2,I.N.Jujur3) 79
Ogel and Gurbuz, 2001,
Zhang et al., 2011).
Parameter proses yang perlu diperhatikan pada hot-press metalurgi serbuk antara lain : temperatur, ukuran partikel dan fraksi volume material penguat. Liu et. al. (1997) pada risetnya menemukan bahwa permukaan Al/SiC menjadi sangat reaktif pada temperature diatas 933 K dan reaksi solid-state antara matrik Al dan SiC skala nano terjadi pada temperatur
873 K. Gu (2006) menyatakan bahwa
berdasarkan riset tersebut, temperature
hot-press yang lebih rendah lebih berguna untuk meghindari terjadinya penggumpalan partikel SiC maupun reaksi antara Al dan SiC.
Peningkatan temperatur hot-press akan
menghasilkan kekerasan yang semakin tinggi. (Mustika et. al., 2011). Pada komposit
2009Al/ SiCp 15% Vf, densitas relatif, tensile dan
ductility meningkat seiring peningkatan temperatur hot-press hingga mencapai nilai optimal pada 580 ºC (Jin et. al., 2011). Pengaruh temperatur dan gaya geser yang
tinggi pada proses ekstrusi dapat
mengakibatkan terjadinya pengecilan butir SiC akibat keretakan partikel maupun sifat tidak
mampu berdeformasi dari SiC.
(Jonathan et. al., 2005).
Pada riset ini dipelajari sejauh mana pembentukan bahan dengan metode hot-press metalurgi serbuk pada beberapa temperatur, berpengaruh terhadap sifat mekanis komposit matrik aluminium. Riset ini dilakukan dengan
tujuan untuk menyederhanakan metode
pembuatan bahan yang selama ini dikenal hanya dapat dilakukan dengan pengkondisian
udara yang menggunakan alat yang
membutuhkan investasi yg tinggi seperti hot-press dalam kondisi vakum. Melalui riset ini ditunjukkan bahwa hasil pembuatan komposit
yang baik dapat dilakukan dengan
menggunakan metode dan peralatan yang cukup sederhana.
2. BAHAN DAN METODE
Komposit dibuat menggunakan bahan baku serbuk AC8A cor yang di haluskan sebagai matrik dan partikel keramik SiC sebanyak
20% Vf sebagai penguat. Hasil pencampuran
kedua partikel ini diproses menjadi komposit
menggunakan peralatan hot-press.
Skema sistem peralatan hot-press diperlihatkan pada gambar 1 dan diagram alir tahapan riset diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 1. Skema sistem peralatan hot-press
Preparasi Bahan
(Serbuk AC8A dan Partikel SiC)
Pencampuran Bahan (AC8A + SiCp 20 % Vf)
Pembentukan Greenbody
(T=suhu kamar, P=50 MPa)
Penekanan Suhu Panas ( Hot Press )
TCETAKAN LOGAM, P=425 MPa, t=5 menit
Pemanasan Tanpa Tekanan
(Tholding = 5 menit) ( Heat Treatment ) Pengukuran Densitas Analisa Uji kekerasan ___________________________________________________________________________________________________
80 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84
Gambar 2. Diagram alir riset komposit
AC8A/SiCp
Campuran serbuk AC8A dan SiC
dipadatkan di dalam cetakan logam dengan diberi tekanan satu arah (single compaction) sebesar 50 MPa pada suhu kamar. Cetakan logam berisi bahan komposit dipanaskan
didalam furnace terbuka dengan variasi
temperatur yaitu 360°, 380°, 400°C dan 430°C dengan tekanan hot-press 425 MPa selama 5 menit dan dilanjutkan pemanasan 5 menit berikutnya tanpa diberikan tekanan. Seluruh proses dilakukan di lingkungan udara yang tidak dikondisikan. Dilakukan pengukuran densitas komposit dan uji kekerasan Vickers terhadap matrik dan komposit.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Nilai Kekerasan dan densitas komposit
pengaruh 4 tingkat temperatur hot-press masing-masing 360ºC, 380ºC , 400ºC dan 430ºC disajikan pada Gambar 3. Pengukuran
kekerasan dilakukan menggunakan mikro
vickers untuk area matrik dan makro vickers untuk area komposit.
Gambar 3. Grafik pengaruh temperatur hot-press terhadap densitas dan kekerasan
komposit AC8A/SiCp
Pada rentang temperatur hot-press 330ºC
hingga 400ºC nilai kekerasan matrik AC8A
maupun komposit AC8A/SiCp meningkat
bersama meningkatnya temperatur hot-press, hingga pada temperatur hot-press 400ºC dihasilkan kekerasan matrik AC8A sebesar
115±8 HVN dan kekerasan komposit AC8A/SiCp
sebesar 151±51 HVN. Kenaikan nilai kekerasan komposit lebih tajam dibandingkan kenaikan nilai kekerasan matrik.
Pembuatan komposit pada temperatur hot-press yang lebih tinggi yaitu 430ºC,
menghasilkan komposit AC8A/SiCp dengan
kekerasan yang lebih tinggi yaitu
171 ± 20 HVN, sementara disisi lain diperoleh kekerasan matrik yang lebih rendah yaitu 108 ± 5 HVN.
Rekristalisasi diaktivasi oleh adanya termal dan tingkat rekristalisasi meningkat bersama meningkatnya temperatur. Tingkat rekristalisasi yang tinggi, menghasilkan tingkat nukleasi yang tinggi dan menyebabkan butir menjadi lebih halus (Olorunniwo et al., 2009). Fenomena demikian didapati pula pada hasil riset Mustika et al. (2011) dalam pembuatan komposit Aluminium murni yang diperkuat 20%
SiCp, dimana komposit yang dibuat pada suhu
tinggi menghasilkan butir yang lebih halus
(gambar 4), serta hasil uji kekerasan
menunjukkan bahwa komposit Al/SiCp
yang dibuat pada suhu yang lebih tinggi memiliki kekerasan yang lebih tinggi.
Melalui pengamatan struktur mikro pada perbesaran 1000x, menunjukkan pola aliran
butir (grain flow pattern) pada area matrik. Grain flow pattern terbentuk lebih halus pada
komposit aluminium yang dibuat dengan temperatur hot-press yang lebih tinggi.
(c)
____________________________________________________________________________________________________
Pengaruh Temperatur Hot-Press...(H.Sulaikan1,T.Mustika2,I.N.Jujur3) 81
( a )
(b)
(c)
Gambar 4. Struktur mikro Al/SiCp yang dibuat
melalui proses hot-press metalurgi serbuk pada temperatur (a)330°C, (b)360°C (c) 430°C, dilingkungan udara yang tidak dikondisikan (Mustika et. al., 2011).
Gambar 5. Kekerasan Vickers area matrik
pada komposit Al/SiCp
(Mustika et. al., 2011).
Pada matrik AC8A nilai kekerasan tertinggi
dicapai pada
temperatur hot-press 400ºC, sedangkan pada temperatur hot-press 430ºC diduga butir-butir AC8A telah mengalami pembesaran sehingga kekerasan yang dihasilkan lebih rendah.
Hasil pengukuran densitas komposit
AC8A/SiCp menunjukkan semakin tinggi
temperatur hot-press maka semakin tinggi densitas komposit, dimana densitas tertinggi dicapai pada komposit dengan temperatur hot-press 430 ºC sebesar 2.84 gr/cm3, nilai ini relatif sama dengan nilai teoritis sebesar
2.824 gr/cm3. Hal ini menunjukkan bahwa
0 20 40 60 80 100 330 360 430 Temperature, C M ic ro H a rd n e s s , H V ___________________________________________________________________________________________________
82 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84
proses densifikasi dengan temperatur yang
lebih tinggi pada tekanan hot-press yang sama akan memberikan kepadatan yang lebih tinggi.
Fenomena ini sesuai dengan analisis
Pakdel et al. (2007) yang menyatakan bahwa temperatur yang lebih tinggi memberikan pengaruh terhadap sifat bahan yang menjadi semakin liat. Pada kondisi bahan yang lebih liat, dislokasi dan deformasi lebih mudah terjadi, sehingga densifikasi yang dapat dicapai akan lebih besar, menghasilkan densitas yang lebih tinggi.
Dari hasil riset diatas dapat diketahui bahwa temperatur hot-press memberikan pengaruh terhadap kekerasan matrik dan kekerasan komposit. Densitas komposit yang
lebih tinggi pada temperatur 430ºC
dibandingkan 400ºC, diduga memiliki peranan terhadap peningkatan kekerasan komposit, dimana temperatur hot-press 430ºC yang menghasilkan kekerasan matrik yang lebih
rendah, justru menghasilkan kekerasan
komposit yang lebih tinggi.
Peningkatan temperatur hot-press hingga 400ºC meningkatkan kepadatan struktur mikro, sehingga densitas meningkat dan cacat mikro berkurang, hal ini menaikkan nilai kekerasan komposit. Peningkatan temperatur hot-press
hingga 430ºC mengakibatkan terjadinya
pembesaran butiran matrik dan menurunkan kekerasan matrik. Pada komposit hasil riset ini,
pada temperatur hot-press 430ºC
kenaikan kekerasan komposit didominasi oleh kepadatan struktur mikro komposit, meskipun terjadi pembesaran butiran matrik.
4. KESIMPULAN
Pada riset pembuatan komposit AC8A/SiCp dengan teknologi metalurgi serbuk metode hot-press di lingkungan tidak dikondisikan, dapat disimpulkan, perubahan temperatur hot-press memberikan pengaruh terhadap densitas dan kekerasan komposit AC8A/SiCp. Densitas komposit AC8A/SiCp meningkat
seiring dengan peningkatan temperatur
hot-press. Pada 430ºC nilai densitas komposit relatif sama dengan nilai densitas teoritis. Kekerasan matrik meningkat seiring dengan peningkatan temperatur, dan menghasilkan nilai kekerasan tertinggi pada 400ºC dan terjadi penurunan pada 430ºC. Kekerasan komposit
meningkat seiring dengan peningkatan
temperatur, dan menghasilkan nilai kekerasan tertinggi pada 430ºC.
DAFTAR PUSTAKA
Das, S., “Development Of Aluminium Alloy
Composites For Engineering Applications”. Trans. Indian Inst. Met. Vol.57, No. 4, August 2004, 325-334.
Gu, W.L., “Bulk Avsic Nanocomposite Prepared By Ball Milling And Hot Pressing Method”. Trans. Nonferrous Met. SOC. China, 16 (2006), 398 – 401
Hong, S.H., Chung, K.H., “Effects of Vacuum
Hot Pressing Parameters on The Tensile Properties And Microstructures of SiC -2124 A1 Composites”. Materials Science and Engineering, A194, 1995, 165-170.
Jin, P., Xiao, B., Wang, Q., Ma, Z., Liu, Y., & Li, S., “Effect of Hot Extrusion on Interfacial Microstructure and Tensile Properties of SiCp/2009Al Composites Fabricated at Different Hot Pressing Temperatures”. J. Mater. Sci. Technol., 27(6), 1995, 518-524.
Jonathan, E., Spowart, Maruyama, B.,
“ Methode for Improving Tensile Properties oc Al/SiC Composites”, USA, (2005)..
Kainer, K.U., “Metal Matrix Composites.
Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering”. Wiley-VCH. Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006. Kumar, G.B.V., Rao, C.S.P., Selvaraj, N., &
Bhagyashekar, M.S.,” Stucetakan on
____________________________________________________________________________________________________
Pengaruh Temperatur Hot-Press...(H.Sulaikan1,T.Mustika2,I.N.Jujur3) 83
Al6061-SiC and Al7075-Al2O3 Metal Matrix
Composites”. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol. 9, No.1, 2010, 43–55.
Mustika, T., Soegiyono, B., & Jujur, I.N., “Microstructure and Properties of Open Air Hot Pressed Al/SiCp Composites”. Paper
presented at the 1st International Conference
on Materials Engineering (ICME) and 3nd AUN/SEED-Net Regional Conference on Materials (RCM) Yogyakarta Indonesia, February 2-3, 2011, 183-185.
Liu, Z.Y., Sercombe, T.B., Schaffer, G.B., ”The Effect of Particle Shape on the Sintering of Aluminum”. Metallurgical And Materials Transactions A , Volume 38 A, June 2007, 1351-1357.
Neelima, D., Mahesh, V., & Selvaraj, N., “Mechanical characterization of Aluminium silicon carbide composite”. International Journal of Applied Engineering Research, Dindigul, Volume 1, No 4, 2011, 793-799.
Ogel, B. & Gurbuz. R., “Microstructural
characterization and tensile properties of hot pressed Al–SiC composites prepared from pure Al and Cu powders”. Materials Science and Engineering, A301 , 2001, 213–220. Olorunniwo, O.E., Atanda, P.O., & Akinluwade,
K.J., “Effects of Variation of Some Process Variables on Recrystallization Rate of Aluminium Alloy (6063)”. Journal of Minerals
& Materials Characterization & Engineering, Vol. 8, No.1, 2009, 1-14.
Pakdel, A., Rahmanifard, R., Farhangi, H., &
Emamy, M., “Effect of Hot Extrusion
Temperature on Particle Breakage And Fractography of Silicon Carbide Reinforced Al-6061 Alloy Composite Materials”. Paper Presented at the 8th International Fracture Conference, Istanbul Turkey, , November 7 – 9, 2007, 1-8.
Ramesh, T. Prabhakar,M., Narayanasamy, R. , “Workability Stucetakan On Al-20%SiC Powder Metallurgy Composite During Cold Upsetting”. Advanced in Production Engineering and Management 5, 2010, 33-44.
Rohatgi, P., “Cast Metal Matrix Composites:
Past, Present and Future”. American Foundry Society Transactions , 01,133, 2001, 1– 25.
Schaffer, G.B., “Powder Processed Aluminium
Alloys”. Institute of Materials Engineering Australasia, Materials Forum, Volume 28, 2004, 65-74.
Zhang, Q., Xiao, B.L., Liu, Z.Y., & Ma, Z.Y., “Microstructure Evolution and Elemental Diffusion of SiCp/Al–Cu–Mg Composites Prepared from Elemental Powder During Hot Pressing”. J Mater Sci, 46, 2011, 6783–6793.
___________________________________________________________________________________________________
84 Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia Vol. 15, No. 2, Agustus 2013 Hlm.78-84
