1
PENGARUH PENAMBAHAN NIKEL (Ni) TERHADAP STRUKTUR
KRISTAL, MORFOLOGI, DAN KEKERASAN PADA PADUAN Al
(2-x)FeNi
(1+x)Robi Kurniawan1), Nandang Mufti2), Abdulloh Fuad3) 1) Jurusan Fisika FMIPA UM,
2,3) Laboratorium sentral FMIPA UM, Jl. Semarang no. 5 Malang.
Alamat e-mail :(1)robi.kurniawan00@yahoo.co.id , (2) nandang.mufti@gmail.com Abstrak
Paduan berbasis aluminium Al-Fe-Ni menarikperhatian karena memiliki kombinasi
sifat fisik dan mekanik yang meliputi kekuatan spesifik, ketahanan spesifik, kekerasan yang tinggi, ketahanan terhadap suhu tinggi, serta ringan yang. Kombinasi sifat ini menjadikan logam paduan ini digunakan sebagai bahan dasar pengganti logam paduan berbasis besi dalam dunia industri alat berat maupun industri nuklir. Pada fase Al2FeNi, paduan logam ini memiliki kekerasan tinggi dan
titik lebur tinggi walaupun tanpa doping. Akan tetapi, kondisi optimum untuk menghasilkan sifat fisik dan mekanik yang baik belum banyak diteliti. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui sifat kekerasan, sifat termal dan sifat korosi logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan penambahan komposisi nikel.
Pada penelitian ini, Al2FeNi ditambah dengan Ni dalam bentuk Al(2-x)FeNi(1+x) (x = 0
; 0,25 ; 0,50 ; 0,75). Bahan dasar yang digunakan adalah Al (PA 99%), Fe (PA 99%), dan Ni (PA 99%). Karakterisasi struktur kristal menggunakan XRD, pembentukan fasa diidentifikasi menggunakan program X’Pert High Score Plus, analisis struktur kristal menggunakan software Celref untuk penentuan parameter kisi. Ukuran butir kristal dihitung menggunakan persamaan Scherrer dan juga dikonfirmasi dengan hasil SEM-EDAX, dan uji kekerasan menggunakan Microhardness Vickers Test
Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan komposisi nikel akan meningkatkan parameter kisi serta volume sel. Sedangkan ukuran butir mengalami penurunan ukuran pada x = 0 hingga x = 0,50 dan meningkat pada x = 0,75. Kekerasan logam paduan meningkat secara linier dengan peningkatan nikel karena jari-jari ionik nikel lebih besar daripada jari-jari ionik aluminium.
Kata Kunci : Struktur Kristal, Morfologi, Kekerasan, Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x).
1. Pendahuluan
Di dunia industri, barang hasil produksi dibuat dan dirancang memiliki ketahanan yang baik terhadap lingkungan, khususnya produk yang berbahan logam diproduksi untuk memiliki ketahanan terhadap korosi, tahan terhadap tekanan, serta tahan terhadap suhu tinggi. Aluminium dan logam paduan berbasis aluminium memiliki keuntungan yang besar dalam dunia industri. Kombinasi sifat fisik dan mekanik yang meliputi kekuatan spesifik, ketahanan spesifik, kekerasan yang tinggi, ketahanan terhadap suhu tinggi, serta sifatnya yang ringan menjadikan logam paduan berbasis aluminium banyak digunakan sebagai bahan dasar pengganti logam paduan berbasis besi dalam industri.
Salah satu bentuk paduan aluminium yang banyak aplikasinya adalah Al-Cu-Mg. Al-Cu-Mg merupakan salah satu logam paduan berbasis Aluminium yang menjadi kandidat yang potensial bagi dunia industri. Al-Cu-Mg menjadi pilihan alternatif pengganti logam berbasis besi dalam sistem logam karena kekuatan spesifiknya yang tinggi. Kandungan magnesium (Mg) meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari campuran, tetapi khususnya dalam pencetakan, magnesium ini menurunkan ketahanan terhadap tumbukan, Namun kelemahan terhadap tumbukan ini diatasi dengan tembaga (Cu). Tembaga meningkatkan ketahanan terhadap tumbukan namun memiliki ketahanan yang lemah pada suhu yang sangat tinggi (George, 2003).
2 Dalam perkembangannya, sebagai upaya untuk mengurangi kelemahan dari logam paduan yang berkaitan dengan kekerasan maupun ketahanannya terhadap temperatur tinggi, dilakukan penambahan unsur dengan cara doping maupun mencampur material lain ke dalam logam paduan dengan membentuk komposit yang biasa dikenal dengan
komposit matriks logam. Komposit matriks logam ini
biasanya dilakukan dengan cara mencampur logam paduan dengan keramik karena memiliki kekerasan dan ketahanan panas yang baik.
Salah satu bentuk paduan aluminium yang masih memiliki kekerasan dan ketahanan terhadap panas yang baik tanpa adanya penambahan material lain adalah paduan Al-Fe-Ni. Paduan Al-Fe-Ni memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal kekerasan dan titik lebur yang tinggi. Pada komposisi tertentu, pada paduan Al-Fe-Ni terbentuk fase Al2FeNi. Fase Al2FeNi merupakan salah satu fase
yang memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal titik lebur dan kekerasan yang tinggi di atas fase Al3Ni. Kandungan besi (Fe) meningkatkan
kekuatan dan kekerasan dari campuran, tetapi besi ini memiliki ketahanan korosi yang lemah. Namun kelemahan terhadap korosi ini diatasi dengan nikel (Ni). Untuk penambahan Ni pada paduan Al-Fe-Ni akan semakin meningkatkan komposisi Ni pada paduan Al-Fe-Ni yang dapat memberikan kekuatan (tanpa mengurangi keuletan), memperbaiki sifat tahan korosi, tahan panas dan menaikkan kekerasan pada aluminium.
Dengan meningkatkan fraksi dari Nikel pada paduan Al-Fe-Ni yang memiliki fase Al2FeNi akan
menyebabkan perubahan kekerasan ataupun sifat termal pada paduan Al-Fe-Ni. Dengan semakin besarnya fraksi dari nikel ini, dimungkinkan mempengaruhi struktur maupun sifat lainnya dari Al-Fe-Ni sehingga diperlukan pengujian serta analisis berkaitan dengan struktur kristal, morfologi, dan kekerasan dari paduan Al-Fe-Ni.
II. Kajian Teori
Paduan Al-Fe-Ni memiliki keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal kekerasan dan titik lebur yang tinggi. Fase Al2FeNi memiliki space group Pm-3m
(221) dan memiliki struktur kristal kubik dengan parameter kisi a = b = c = 2,883 Å (ICSD).
Gambar 2.1 Pola Difraksi Sinar-X Al2FeNi
Fase Al2FeNi merupakan fase yang memiliki
keunggulan dan sifat yang menarik dalam hal titik lebur dan kekerasan yang tinggi di atas fase Al3Fe.
Distribusi fase paduan Al-Fe-Ni dalam bentuk cair dapat dilihat pada gambar 2.2 (Mondolfo, 1976).
Gambar 2.2 Diagram Fase Al-Fe-Ni pada Fase Cair
Berbagai fase pada Al-Fe-Ni dapat dilihat dari diagram fase pada gambar 2.3 (Qiang, 2001) :
Gambar 2.3 Diagram Fase Al-Fe-Ni
III. Metode Penelitian a. Tahap Persiapan
Bahan yang digunakan dalam pembuatan paduan ditimbang sesuai dengan komposisi yang telah ditentukan, yaitu Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 ;
0,25 ; 0,50 ; 0,75 dan selanjutnya bahan dikompaksi. Dalam penelitian ini ditentukan massa untuk setiap sampel adalah 2 gram, dengan massa masing-masing tersaji dalam Tabel 3.1 :
3
Tabel 3.1. Massa masing-masing komponen untuk logam paduan Al-Fe-Ni x Perhitungan Penelitian Al (gr) Fe (gr) Ni (gr) 0 1,0815 0,4478 0,4707 0,25 0,9958 0,4340 0,5702 0,50 0,9152 0,4210 0,6638 0,75 0,8392 0,4088 0,7520 b. Tahap Pembuatan
Bahan logam (Al, Fe, dan Ni) yang telah dipress ditempatkan pada cawan (crucible). Selanjutnya cawan dimasukkan ke dalam tungku pelebur
(Tri-Arc Melting). Udara yang berada di dalam tungku
pelebur selanjutnya dipompa keluar dan mulai dialirkan gas Argon ke dalam tabung tungku pelebur. Proses peleburan dimulai dengan pemberian sumber arus pada alat pelebur. Peleburan logam yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan Tri-Arc Melting, dengan arus masukannya diatur hingga dapat melelehkan bahan, yaitu berkiasr 100 A. Pelelehan dilakukan dua kali dengan tujuan agar bahan tercampur secara homogen (Re-Melting and Mixing). c. Tahap Karakterisasi
Karakterisasi fase dilakukan dengan cara menguji logam paduan menggunakan X-RD. Dari pengujian X-RD diperoleh pola difraksi yang terdiri dari posisi sudut dan intensitas. Karakterisasi struktur mikro dilakukan dengan cara menguji logam paduan menggunakan SEM-EDAX. Dari SEM-EDAX diperoleh gambaran mikro dari sampel hasil SEM dan persentase tiap unsur penyusun logam paduan hasil EDAX. Pengujian kekerasan bahan pada penelitian ini dilakukan menggunakan metode Microhardness
Vickers dengan menggunakan alat digital Vickers Hardness Tester dengan beban penekan dalam
penelitian ini sebesar 100 gf. Besarnya nilai kekerasan dirumuskan sebagai berikut :
=1,8544 2 d F Hv dengan :
F = beban penekan yang dikenakan pada bahan (kgf)
d = panjang diagonal jejak indentor (mm)
IV. Hasil Penelitian
1. Pola Difraksi dan Struktur Kristal Hasil Karakterisasi X-RD
a. Pola Difraksi Al(2-x)FeNi(x+1) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ;
0,75)
Pola difraksi logam paduan Al(2-x)FeNi(x+1) (x = 0
; 0,25 ; 0,50 ; 0,75) hasil sintesis dengan metode
Tri-Arc Melting ditunjukkan dalam Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Pola Difraksi Logam Paduan Al(2-x)FeNi(x+1) (x =
0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75) Hasil Sintesis dengan Metode Tri-Arc Melting
Pada masing-masing puncak dapat dilihat bahwa dengan bertambahnya fraksi Ni pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x), terjadi pergeseran posisi
puncak difraksi ke arah kiri. Pergeseran puncak ke kiri ini menunjukkan bahwa dengan semakin bertambahnya fraksi Ni, parameter kisi dari logam paduan mengalami perubahan nilai yang semakin besar.
b. Struktur Kristal Al(2-x)FeNi(1+x) (x = 0 ; 0,25 ; 0,50
; 0,75)
Dari fitting yang dilakukan menggunakan software Celtef, diperoleh hasil struktur kristal dari logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) sebagai
berikut.
Tabel 4.1. Data hasil analisis struktur menggunakan software Celref
hubungan antara fraksi penambahan Ni terhadap parameter kisi dan volume sel pada masing-masing nilai x dari logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x)
x 0 0,25 0,50 0,75 Parameter kisi a (Å) Parameter kisi b (Å) Parameter kisi c (Å) α = β = γ Volume sel (Å3) Mean Square Deviation 2,8766 2,8766 2,8766 90 23.80337 0,16161 2,8774 2,8774 2,8774 90 23.82323 0,14558 2,8833 2,8833 2,8833 90 23.97008 0,06590 2,8836 2,8836 2,8836 90 23.97756 0,11670
4 dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75 seperti gambar 4.2. -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 2.876 2.877 2.878 2.879 2.880 2.881 2.882 2.883 2.884
Fraksi Penambahan Nikel
P a ra m et er K is i (Å ) 23.70 23.75 23.80 23.85 23.90 23.95 V o lu m e S el ( Å 3 )
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Fraksi Penambahan Ni terhadap Parameter Kisi dan Volume Sel pada Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x)
2. Morfologi Al(2-x)FeNi(1+x) Hasil Karakterisasi
SEM-EDAX
Pengamatan struktur mikro logam paduan Al
(2-x)FeNi(1+x) dilakukan dengan menggunakan foto
hasil SEM seperti gambar 4.3
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 4.3 Hasil Foto SEM Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x)
(a) x = 0 (b) x = 0,25 (c) x = 0,50 (d) x = 0,75
Dari hasil SEM di atas dapat terlihat bahwa pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan
x = 0 berbentuk glanular dengan sedikit ditemukan pori-pori. Pada logam paduan Al
(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0,25 berbentuk glanular
yang lebih kecil jika dibandingkan dengan logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 serta
sedikit ditemukan pori-pori. Pada logam paduan
Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0,50 berbentuk
glanular yang lebih kecil jika dibandingkan dengan logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x =
0 dan x = 0,25, sedikit ditemukan pori-pori, serta butiran semakin memadat. Pada logam paduan
Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0,75 berbentuk
glanular yang lebih besar dan lebih memadat jika
dibandingkan dengan logam paduan Al
(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0,50, namun lebih kecil
dibandingkan dengan logam paduan Al
(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 dan x = 0,25.
Sesuai dengan persamaan Scherrer diperoleh pada logam paduan Al(2-x)FeNi(x+1) saat
x = 0 ukuran butirnya 41,390918 nm, saat x = 0,25 ukuran butirnya 41,33329 nm, saat x = 0,50 ukuran butirnya 27,21203 nm, dan saat x = 0,75 ukuran butirnya 35,90466 nm.
3. Kekerasan Al(2-x)FeNi(x+1)
Nilai kekerasan hasil pengujian dengan metode
Microhardness Vickers dengan menggunakan
gaya penekan sebesar 100 gf ditunjukkan oleh tabel 4.4.
Tabel 4.2. Data Uji Kekerasan Logam Paduan Al(2-x)FeNi(1+x)
dengan Microhardness Vickers
Komposisi Al(2-x)FeNi(1+x) HVN Rata-Rata
X = 0 566,8
X = 0,25 648
X = 0,50 707,4
X = 0,75 819,6
V. Kesimpulan
1. Pada setiap penambahan nikel, logam paduan
Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ; 0,75
mengalami peningkatan nilai parameter kisi serta volume sel tanpa mengalami perubahan sistem kristal.
2. Pada setiap penambahan nikel, logam paduan
Al(2-x)FeNi(1+x) pada x = 0 hingga x = 0,50
mengalami penurunan ukuran dan mengalami peningkatan ukuran butir pada x = 0,75. Dengan semakin mengecilnya ukuran butir ini, tampak butiran semakin memadat dan pori-pori semakin mengecil.
3. Pengaruh penambahan nikel mengakibatkan peningkatan kekerasan secara linier pada logam paduan Al(2-x)FeNi(1+x) dengan x = 0 ; 0,25 ; 0,50 ;
0,75.
VI. Acknowledgment
Penelitian ini dilakukan dan didukung oleh Laboratorium Sentral Universitas Negeri Malang. VII. Referensi
Abrini, Dona. 2010. Efek Penambahan Ni terhadap
Perubahan Mikrostruktur Campuran Serbuk Fe-Al dengan Metode Pemaduan Mekanik. Depok :
Fisika FMIPA UI.
Baghaei Rad, Leili. 2007. Computational Scanning
Electron Microscopy. International Conference on Frontiers of Characterization and Metrology.
5 Barsoum, Michel W. 2003. Fundamentals of
Ceramics. UK : Institute of Physics Publishing,
Dirac House, Temple Back.
Lide, D. R. Ed. 2005. CRC Handbook of Chemistry
and Physics, 90th Ed. CRC Press : Boca Raton,
Florida.
Mondolfo, L F. 1976. Aluminium Alloy Structure and
Properties. London : Butterworths.
Qiang, Jian Bing. 2001. Formation Rule for Al-based
Ternary Quasi-Crystal : Example of Al-Ni-Fe Decagonal Phase. J.of. Mater. Res. Vol. 16 No.
9.
Rammelyadi, Asep Ary. 2008. Pencirian Paduan
Aluminium-Besi-Nikel Sebagai Kelongsong
Elemen Bakar Berdensitas Tinggi. Bogor :
