11
PENGARUH PENAMBAHAN Sr TERHADAP
PERILAKU PERAMBATAN RETAK FATIK
PADA PADUAN Al-6%Si-0,7%Fe
Surya Dharma
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan Jl. Almamater No. 1 Kampus USU, Medan 20155
Email: sury4_m3@yahoo.com Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh penambahan Sr pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe terhadap perilaku perambatan retak fatik pada proses pengecoran cetakan pasir. Paduan Al-6%Si-0,7%Fe dilebur dalam dapur krusibel pada temperatur 730oC kemudian ditambahkan Sr dalam logam cair, selanjutnya dituang ke dalam cetakan pasir. Kekuatan tarik dan ketahanan terhadap perambatan retak fatik diuji dengan menggunakan mesin Servopulser. Dari pengujian yang dilakukan diketahui bahwa penambahan Sr pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe meningkatkan ketahanan perambatan retak fatiknya.
Kata kunci: Al-Si, Sr, fatik.
1. Pendahuluan
Paduan Al-Si banyak dipakai untuk komponen otomotif dan pesawat terbang, sebagian besar struktur tersebut mengalami kegagalan akibat cacat pengecoran seperti porositas, oksida, dan inklusi yang mengakibatkan umur material yang semakin rendah (Lados dan Apelian, 2005).
Umumnya penambahan Sr dan Na sebagai modifier pada paduan Al-Si bertujuan menghasilkan struktur silikon eutektik dengan bentuk berserabut (Brown, 1999). Pada proses pengecoran dengan cetakan pasir, proses pendinginan relatif lambat sehingga diperoleh struktur eutektik berbentuk
lamellar yang mana mengurangi
kekuatan produk yang dihasilkan. Unsur kimia yang dipakai untuk mengontrol morfologi partikel silikon dan dapat merubah struktur mikro disebut modifier
(Cook, 1998) dan (Brown, 1999). Dalam industri pengecoran aluminium paduan, Fe adalah unsur pengotor yang dihasilkan dari pemakaian peralatan yang terbuat dari besi selama proses peleburan dan penuangan logam cair, dan pemakaian aluminium bekas (scrap). Pada paduan Al-Si, kehadiran Fe dapat menurunkan sifat mekanis seperti kekerasan dan
keuletan (ASM Specialty Handbook Aluminium, 1993), meningkatnya kandungan Fe dalam paduan Al-Si menyebabkan porositas dan menurunkan kekuatan impak, juga mengakibatkan terjadinya mekanisme retak pada paduan tersebut (Taylor, 2004).
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari penambahan Sr terhadap kekuatan fatiknya. Penelitian ini menggunakan paduan Al-6%Si yang ditambahkan Sr sebagai
modifier yang dicor kedalam cetakan pasir.
2. Dasar Teori
Modifikasi silikon eutektik pada aluminium paduan dapat dilakukan dengan cara penambahan elemen seperti Sb, Sn, Na dan Sr, tetapi hanya Na dan Sr yang menghasilkan pengaruh yang kuat pada konsentrasi yang rendah (ASM Specialty Handbook Aluminium, 1993). Jumlah dari modifier
Sr yang ditambahkan dalam paduan Al-Si tergantung pada besarnya kandungan silikon. Untuk kandungan Silikon sebesar 4-7%, penambahan yang optimum adalah 0,01- 0,02%Sr (Cook, 1992 dan Brown, 1999).
12 3. Cara Penelitian
Paduan Al-6%Si-0,7%Fe sebelum dan sesudah penambahan Sr diuji komposisi kimia menggunakan spektrometer. Paduan tersebut dilebur dalam dapur krusibel dengan temperatur tuang 730 oC. Al-10%Sr-14%Si dalam bentuk master alloy ditambahkan kedalam logam cair dan ditahan dalam dapur (holding) selama 10 menit sebelum penuangan. Logam cair yang telah ditambahkan Sr dituangkan kedalam cetakan pasir yang telah dipersiapkan sebelumnya.
Pengujian tarik dilakukan sebagai tahap awal untuk mengetahui ketahan material terhadap pembebanan tarik, specimen dibuat berdasarkan standard JIS Z2201 seperti diperlihatkan pada Gambar 1, dengan beban pengujian sebesar 2 ton.
Uji rambat retak fatik dilakukan untuk mengetahui laju perambatan retak fatik dengan faktor intensitas dan rasio tegangan tertentu. Pengujian rambat retak fatik mengacu pada standar ASTM E647 dengan bentuk spesimen
Compact Tension Specimen (CTS)
seperti terlihat pada gambar 2. Mesin yang digunakan untuk pengujian ini adalah Servopulser SHIMADZU tipe EHF-EB20.
Gambar 1. Spesimen Uji Tarik (JIS Z2201)
Gambar 2. Spesimen Uji Rambat Retak CTS (ASTM E647)
4. Hasil dan Pembahasan
4.1. Hasil Komposisi Kimia
Tabel.1 Komposisi kimia paduan Al-6%Si Komposisi Paduan (%) Al-6Si-0,7Fe Al-6Si-0,7Fe+Sr Si 6,04 5,90 Fe 0,74 0,74 Cu 0,46 0,35 Mn 0,07 0,07 Mg 0,103 0,149 Zn 0,647 0,60 Ti 0,01 0,07 Cr 0,01 0,01 Ni 0,04 0,03 Pb 0,08 0,08 Sn 0,01 0,01 Sr - 0,04 Al 91,68 91,91
13 4.2 Pengujian Tarik
Gambar 3. Tegangan Tarik Maksimum Paduan Al-6%Si-0,7%Fe Hasil uji tarik menunjukkan bahwa penambahan Sr pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe menghasilkan peningkatan tegangan tarik maksimumnya sebagaimana yang dikemukakan oleh Shabestari dan Shahri (2004). Tegangan tarik maksimum paduan Al-6%Si-0,7%Fe adalah sebesar 103,2 MPa. Penambahan Sr pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe meningkatkan tegangan tarik maksimum menjadi 109,1 Mpa.
4.3. Pengujian Perambatan Retak Fatik
(a)
(b)
Gambar 4. Hubungan antara Delta K Vs da/dN pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe, (a) tanpa penambahan dan (b) penambahan Sr.
Gambar 5. Hubungan antara siklus (N) VS panjang retak (a)
Penambahan Sr pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe memberikan umur fatik yang lebih baik dibandingkan dengan material tanpa penambahan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4. Paduan Al-6%Si-0,7%Fe memiliki umur fatik sekitar 432913 siklus, namun terjadi peningkatan setelah penambahan unsur Sr menjadi 699216 siklus.
14 Tabel 2. Harga A dan n pada pengujian
perambatan retak fatik
Specimen Harga A(mm/siklus) Harga n Al-6%Si-0,7%Fe 6E-13 5,7869 Al-6%Si-0,7%Fe-Sr 3E-14 6,5273 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Penambahan Sr pada paduan Al-6%Si-0,7%Fe meningkatkan kekuatan tarik dan ketahanan terhadap perambatan retak fatik.
2. Struktur silikon eutektik yang dihasilkan berbentuk berserabut
(fibrous).
DAFTAR PUSTAKA
ASM Specialty Handbook, 1993,” Aluminium and Aluminium Alloys”, Ohio, P.p.534.
ASTM Standards, 2003, “Metal Test Methods and Analytical Procedures”, volume 03.01. Brown, J.R., 1999, “Foseco Non-Ferrous
Foundryman’s Handbook”, Butterworth Heinemann, Eleventh Edition, Oxford, P.p. 82-83.
Broek, D, 1987, “Elementary Engineering Fracture Mechanics”, Martinus Nijhoff Publisher, Dordrecht, Netherland.
Campbell, J., 2000, “Castings”, Butterworth Heinemann, Oxford , p.p. 74 – 85 Cook, R., 1998, “Modification of Aluminium Silicon Foundry Alloy”, www.
Metallurgical. Com, London and Scandinavian Metallurgical Co. Limited, p p. 1-10.
Cooper, P and Barber, A., 2003, “Review of the Latest Development and Best Use of Grain Refiners”, International Melt Quality Workshop, Prague, Czech Republic.
Davidson, C.J, Griffiths, J.R, Zanada, A, 2004, “Fatigue Properties of Squeeze, Semisolid and Gravity Diecast Al-Si-Mg Alloy”, Structural Integrity and Fracture. Dinnis, C.M., Ottie, M.O., Dahle, A.K. and Taylor, J.A., 2004, “The Influence of Strontium on Porosity Formation in Al-Si Alloys”, Metallurgical and Materials Transaction ,Vol. 35 A, p.p 353.
JIS Handbook Non Ferrous Metals and Metallurgy, 1977, Japanese Standards Association.
Lados, D.A.and Apelian, D, 2005, “Fatigue Growth Charactetistic In Cast Al-Si-Mg Alloys“, Dissertation, Worcester Polytechnic Institute, Chapter 2, P.p. 26 – 47.
Liao. H and Sun. G, 2004, “ Influence of Boron on The microstructure nd Mechanical Properties of Al-11,6Si-0,4Mg Casting Alloy Modified With Strontium”, Material Science and Technology, vol. 20, 521.
Lee, P.D. and Lindley, T.C, 2005, “The Influence of Strontium and TiB2
Addition on The Formation of Porosity in Aluminium Castings and Their effect on Final Fatigue Properties”, The Minerals, Metals and Material Society, pg 225. Mondolfo, L.F., 1976, “Aluminium Alloys:
Struktur and Properties”, Butterworths, London.
15
Moreira, M.F, and Fuoco, R, “Characteristics of Fatigue Fractures in Al-Si Cast Components”, American Foundry Society, Schaumburg, Usa, page 1 0f 15
Sabatino, M.D., Shankar, S., Apelian, D. and Amberg, L., 2005, “Influence of Temperature and Alloying Elements on Fluidity of Al-Si Alloy”, The John Campbell Symposium.
Shabestari, S.G. and Shahri, F., 2004, “Influence of Modification, Solidification Conditions and Heat Treament on The Microstructure and Mechanical Properties of A356 Aluminium Alloy”, Kluwer Acedemic Publisher, Journal of Material Science 39, p.p 2023 – 2032. Smith, W.F., 1993, “Structure and
Properties of Engineering Alloys”, McGraw-Hill inc, Second edition, p.p 176 – 299.
Taylor, J.A, 2004, “The Effect of Iron in Al-Si Casting Alloys”, Brisbane, Australia.
