Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011Sifat Mekanik dan Struktur Mikro Paduan AA5154 Hasil Equal Channel Angular Pressing (ECAP) dan Kombinasi ECAP + Rolling A.Ali Alhamidi (1), Agus Pramono(2), Asep Andri Firmansyah (3)(1);(2);(3)

Jurusan Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Jl. Jenderal Sudirman Km 3 Cilegon, Banten 42435, Indonesia alhamidi_a@yahoo.co.id agus_pramono@yahoo.com andrif_s1_metalurgi@rocketmail.com

ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk memperkuat aluminium terhadap kekuatan tarik, kekerasan dan mengubah struktur mikro (ukuran butir). Proses ECAP dilakukan pada Aluminium AA5154 yang mana dilewatkan pada dies (cetakan) ECAP yang berbentuk L dimana penampang tetap dengan sudut alur cetakan 105o dan sudut lengkungan 75o tanpa mengubah ukuran penampang spesimen, proses ECAP menggunakan rute C dengan variasi pass dan proses ECAP menggunakan rute C dengan variasi pass kemudian di roll 50%. Dari perbandingan kedua variabel dimana proses kombinasi ECAP+50% rolling yang menghasilkan peningkatan kekuatan dan kekerasan yang sangat signifikan di bandingkan proses ECAP tanpa di lakukan roll , yaitu 58,11% dan 55,21% hanya proses rolling; 58,66% dan 55, 92% untuk passes kedua; 58,92% dan 56,77% untuk passes ketiga dan 59,19% dan 57,69% untuk passes keempat. Serta menghasilkan peningkatan penghalusan butir pada proses kombinasi ECAP+50% rolling yaitu 68,18% hanya proses rolling; 77,59% untuk passes kedua; 85,71% untuk passes ketiga dan 87,38% untuk passes keempat. Kekuatan dan kekerasan yang terbentuk bervariasi tergantung kepada variasi putaran sample dan jumlah pass. Spesimen rute C yakni mengubah orientasi sample memberikan kekuatan dan kekerasan keseluruhan luas penampang. Kekuatan dan kekerasan meningkat dengan meningkatnya jumlah pass. Peningkatan kekuatan disebabkan terutama oleh penghalusan butir aluminium. Dimana perbedaan orientasi batas butir dan ukuran butir merupakan gambaran dari sifat-sifat mekanik yang dihasilkan, semakin tinggi perbedaan orientasi batas butir maka semakin tinggi pula kekuatan dan kekerasan, ini terjadi akibat penghalusan butir dimana total luas batas butir menjadi lebih besar yang akan menghambat pergerakan dislokasi.Kata kunci : Aluminium, ECAP, Rolling, dislokasi, Struktur, deformasi regangan.

1

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011ABSTRACT This study aims to strengthen the aluminum against the tensile strength, hardness and change the microstructure (grain size). ECAP process performed on aluminium AA5154 which is passed on dies (molds) ECAP where the L-shaped cross section fixed at an angle of 105o and mold flow curve of 75o angle without changing the size of the specimen cross section, the process of ECAP using route C with a variation of pass and the process of ECAP using route C with variations in the roll pass and then 50%. From the comparison of these two variables where the combination of ECAP+50% rolling that results in increased strength and hardness highly significant in the comparison process in ECAP without doing roll, which is 58,11% and 55,21% just rolling process; 58,66% and 55 , 92% for the second passes; 58,92% and 56,77% for the three passes and 59,19% and 57,69% for the fourth passes. And resulted in increased grain refinement in ECAP +50% combination process of rolling the rolling process is only 68,18%; 77,59% for the second passes; 85,71% for the three passes and 87,38% for the fourth passes. The strength and hardness that is formed varies depending on the variation of sample rotation and the number of passes. Specimen that is changing the orientation of the route C samples provide overall strength and hardness cross-sectional area. Strength and hardness increases with increasing number of passes. The increase is caused primarily by the strength of aluminium grain refinement. Where the difference in orientation of the grain boundary and grain size is an overview of the mechanical properties are produced, the higher the difference in orientation of the grain boundary, the higher the strength and hardness, is due to grain refinement in which the total area of grain boundaries becomes larger which will hamper the movement of dislocations. Key words: Aluminum, ECAP, Rolling, dislocation, Structure, strain deformation.

1.

PENDAHULUAN Beberapa tahun belakangan, berbagai usaha dan metoda telah dilakukan

peneliti untuk meningkatkan kekuatan Aluminium [Bascani P, 2004]. Hal ini terutama dipicu oleh kenaikan bahan bakar minyak yang memaksa industri kendaraan bermotor beralih ke material ringan seperti Al untuk mengurangi bobot kendaraan agar lebih hemat energi. Metoda penguatan terbaru yang paling berkembang saat ini adalah severe plastic deformation (SPD), yaitu pemberian deformasi plastis yang tinggi dan merata pada bahan. Metoda penguatan terbaru melalui pemberian deformasi plastis menyeluruh. Salah satunya adalah proses equal channel angular pressing (ECAP) terjadi penghalusan butir yang signifikan adapun proses gabungan antara ECAP dengan roll untuk lebih menyempurnakan butiran. Namun begitu, masih banyak hal yang harus

2

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011diteliti secara cermat dari proses ini sebelum diterapkan di dunia industri karena masih terdapat pertentangan di kalangan peneliti tentang proses mana yang dapat menghasilkan kekuatan yang paling tinggi. Karena itu kajian ini sangat menarik untuk terus dikembangkan dalam rangka mendapatkan proses ECAP yang paling efektif untuk menghasilkan aluminium super kuat. Aluminium AA5154 atau yang sering kita kenal dengan paduan Al-Mg seri 5 umumnya banyak dimanfaatkan untuk komponen otomotif seperti bodi mobil dan sacis, industri pesawat terbang, industri kapal laut dan lain sebagainya karena dilihat dari aspek sifat mekanis dan fisisnya antara lain density ringan, ductelity yang baik, formability yang baik, weldability yang baik dan strength yang baik. Peningkatan kekuatan aluminium AA5154 yang relatif tinggi tidak dapat dilakukan melalui pengerjaan laku panas. Tetapi apakah peningkatan kekuatan aluminium AA5154 ini bisa dilakukan melalui pengerjaan dingin (cold working), dan bagaimana pengaruhnya terhadap sifat mekanik yang lainnya. Oleh karena itu berdasarkan pertimbangan-pertimbangan tersebut di atas maka perlu diadakan penelitian untuk mengetahui gambaran yang jelas tentang sifat mekanik yang dihasilkan. Proses dengan severe plastic deformation (SPD) dapat di definisikan sebagai proses pembentukan logam dengan sifat plastic strain yang sangat tinggi. ECAP merupakan salah satu metode SPD dimana ECAP dapat di definisikan sebagai proses pemberian tekanan sangat tinggi pada logam melalui saluran cetakan bersudut berpenampang tetap [Rosochowski, 2005]. Tujuan utama dari proses ECAP untuk memperbaiki butir kasar menjadi sangat halus. Metode penghalusan butir akan menghambat pergerakan dislokasi di batas butir sehingga dengan cara ini dapat meningkatkan kekuatan, seperti yang dijelaskan oleh persamaan 2.1 [Hagiwara, 2001]. = + kd/...................................................(2.1) Dimana y adalah kekuatan luluh, i adalah tegangan geser, d adalah diameter butir dan k merupakan nilai gradien dari persamaan lurus. Persamaan di atas berdasarkan mernyataan Chalmers semakin tinggi perbedaan orientasi antar batas butir maka tegangan luluh akan semakin meningkat secara linier.

3

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011

2.

METODE PENELITIAN Material yang digunakan dalam pengujian ECAP ini adalah aluminium seri

5154 dengan ukuran butir ~90 m berbentuk batangan 6x22x250 mm. Proses ECAP rute C kemudian diterapkan pada material dengan menggunakan mesin pres berkapasitas 50 ton. Jumlah langkah proses dilakukan 2-4 kali untuk melihat pengaruh jumlah pass terhadap sifat mekanik dan struktur mikro bahan.

2.1

Cetakan ECAP Tahapan pertama pada penelitian ini adalah membuat cetakan (dies) ECAP

yang dibuat dari baja mangan dengan sudut antar alur cetakan 105o dan sudut lengkungan 75o konstruksi cetakan dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Bentuk dan Geometri Cetakan ECAP

Setelah semua siap lalu di lakukan proses ECAP rute C dengan dua variabel yaitu variabel pertama ECAP dengan jumlah pass : sampel C0 (tanpa proses), C2 (2nd passes), sampel C3 (3rd passes), dan sampel C4 (4th passes) dan variabel kedua ECAP+50% rolling dengan jumlah pass : sampel C0+50% roll (proses rolling), C2+50% roll (2nd passes), sampel C3+50% roll (3rd passes), dan sampel C4+50% roll (4th passes). Setelah itu dilakukan pemanasan pada temperatur 450oC dengan waktu tahan 1 jam. Ada pun pengujian yang dilakukan adalah pengujian tarik, pengujian kekerasan, metalografi atau ukuran butir untuk melihat nilai diameter rata-rata butir.

4

Teknik Metalurgi FT. Untirta 20112.2 Pengujian Tarik Pengujian tarik yang dilakukan pada penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kekuatan aluminium sebelum dan sesudah proses ECAP. Pengujian dilakukan di PT. Krakatau Steel lab. CRM menggunakan mesin uji tarik merek Zwick Z250 SN5A. Selama pengujian juga digunakan komputer untuk merekam data proses pengujian, data ini kemudian diterjemahkan menjadi kurva uji tarik.

2.3

Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan yang dilakukan pada penelitian ini bertujuan untuk

mengetahui kekerasan aluminium

sebelum dan sesudah proses ECAP. Pengujian

dilakukan di PT. Krakatau Steel lab. CRM menggunakan mesin uji kekerasan brinell merek Walpert testor HB dengan indentor bola baja pada beban penekanan 62.5 kgf selama 15 detik.

2.4

Pengujian Metalografi Pengamatan struktur mikro yang dilakukan pada penelitian ini bertujuan untuk

mengetahui struktur mikro dan ukuran butir aluminium sebelum dan sesudah proses ECAP maupun sebelum pemanasan dan sesudah pemanasan pada temperatur 450 OC. Pengujian dilakukan di Lab. Metalurgi UNTIRTA dan BATAN menggunakan muffle furnace dan mikrokop optik. Spesimen dibingkai dengan mounting. Pengamplasan dilakukan bertahap menggunakan kertas amplas grade 100, 120, 200, 400, 600, 800, 1000 dan 1200. Kemudian dilanjutkan dengan pemolesan menggunakan serbuk alumina. Spesimen dicuci dengan air setelah pemolesan selesai, kemudian dikeringkan dengan menggunakan udara panas. Pengetsaan menggunakan larutan etsa yang terdiri dari HNO3 20ml, HF 5 ml, HCl 20 ml, aquades 20 ml. Spesimen digoyang dalam larutan dengan menggunakan penjepit dari kayu selama 60 detik lalu didiamkan di udara terbuka selama lebih kurang 24 jam. Pengamatan pada mikroskop optik.

5

Teknik Metalurgi FT. Untirta 20113. HASIL DAN PEMBAHASAN Ada tiga hasil pengujian dalam pengujian ini yaitu uji tarik, uji kekerasan, uji metalografi atau ukuran butir. Setiap hasil uji ditunjukkan oleh grafik hasil pengujian dan gambar struktur mikro.

3.1.

Pengujian Tarik Pengujian tarik dilakukan dengan sampel yang berbeda variabel, ECAP,

kombinasi ECAP dengan rolling dan jumlah pass. Data hasil uji tarik terhadap material aluminium seri 5154 hasil ECAP dan ECAP+50% rollinng ditunjukan pada Tabel 1 di bawah ini : Tabel 1. Data hasil uji tarik No. Sampel C0 C2 C3 C4 C0 + 50% roll C2 + 50% roll C3 + 50% roll C4 + 50% roll Ys (MPa) 72 97 97 105 Ts (MPa) 191 218 225 251 El (%) 29 10 10 10

118 118 120 118

265 271 274 277

8 7 7 7

(a)

(b)

Gambar 2. Grafik (a) Kuat tarik dan (b) kuat luluh.

6

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011Dari data pengujian tarik material alumunium hasil proses ECAP dan

kombinasi ECAP+50% rolling menunjukkan bahwa nilai kekuatan mengalami peningkatan yang signifikan dengan semakin meningkatnya jumlah pass serta peningkatan kekuatan ini disertai penurunan % elongasi. Kekuatan terendah dihasilkan pada sampel sebelum proses (C0) yaitu 191 MPa, dan kekuatan terbesar dihasilkan pada proses kombinasi ECAP+50% rolling (C4+50% rolling) yaitu 277 MPa. Dengan semakin banyak jumlah pass dalam proses ECAP, maka semakin tinggi kekuatannya.

3.2

Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan dengan sampel yang berbeda variabel, ECAP,

kombinasi ECAP dengan rolling dan jumlah pass. Data hasil uji kekerasan terhadap material aluminium seri 5154 hasil ECAP dan ECAP+50% rollinng ditunjukan pada Tabel 2 di bawah ini : Tabel 2. Data hasil uji kekerasan. No. Sampel C0 C2 C3 C4 C0 + 50% Rolling C2 + 50% Rolling C3 + 50% Rolling C4 + 50% Rolling Kekerasan (HB) 1 2 3 63,6 74,7 76,3 79,5 77,9 79,5 83 84,9 63,6 73,2 76,3 77,9 77,9 81,3 83 86,8 62,4 74,7 76,3 77,9 77,9 81,3 83 86,8 Rata-rata (HB) 63,2 74,2 76,3 78,4 77,9 80,7 83 86,17

7

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 Jumlah passes (n) Gambar 3. Grafik kekerasan terhadap jumlah passes hasil proses ECAP pada rute C.

Kekerasan (HB)

Proses ECAP Proses ECAP + 50% Roll 5

Dari data pengujian kekerasan material alumunium hasil proses ECAP dan kombinasi ECAP+50% rolling menunjukkan bahwa nilai kekerasan mengalami peningkatan yang signifikan dengan semakin meningkatnya jumlah pass. Kekerasan terendah dihasilkan pada sampel sebelum proses (C0) yaitu 63,2 HB, dan kekuatan terbesar dihasilkan pada proses kombinasi ECAP+50% rolling (C4+50% rolling) yaitu 86,17 HB. Dengan semakin banyak jumlah pass dalam proses ECAP, maka semakin tinggi kekerasannya.

3.3

Analisa Metalografi Data hasil uji metalografi terhadap material aluminium paduan seri 5154

menggunakan mikroskop optik. Pada Gambar 4 di bawah menunjukkan gambar strukur mikro hasil ECAP sebelum pemanasan pada temperatur 450o C.

(C0 awal)

(C2 passes)

(C3 passes)

(C4 passes)

Gambar 4. Struktur mikro AA5154 awal dan hasil ECAP sebelum pemanasan.

8

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011Gambar 4 di atas dapat dijelaskan bahwa struktur mikro hasil ECAP rute C setiap pass. Semua gambar menunjukkan pola geometri butiran yang cukup jelas bersifat lebih equiaxed dan pengukuran ukuran butir dengan metode point acounting menunjukkan bahwa diameter butir rata-rata pada masing-masing gambar yaitu; 90 m ukuran awal, 52 m setelah 2nd passes, 38 m setelah 3rd passes, 20 m setelah 4th.passes. Pada Gambar 5 di bawah ini menunjukkan gambar strukur mikro hasil kombinasi ECAP+50% roll sebelum pemanasan pada temperatur 450o C.

(C0+50% rolling)

(C2 passes+50% rolling)

(C3 passes+50% rolling)

(C4 passes+50% rolling)

Gambar 5. Struktur mikro AA5154 awal dan hasil kombinasi ECAP+50% roll sebelum pemanasan.

Gambar 5 di atas dapat dijelaskan bahwa struktur mikro hasil kombinasi ECAP+50% roll rute C setiap pass. Semua gambar menunjukkan terjadi perubahan pola geometri butiran dari equiaxed ke elongated dan pengukuran ukuran butir dengan metode point acounting menunjukkan bahwa diameter butir rata-rata pada masingmasing gambar yaitu; 42 m setelah 50% roll, 26 m setelah 2nd passes, 15 m setelah 3rd passes, 13 m setelah 4th.passes. perubahan pola geometri hal ini disebabkan oleh adanya gaya geser akibat proses rolling. Pada Gambar 6 di bawah ini menunjukkan gambar strukur mikro hasil ECAP setelah pemanasan pada temperatur 450o C.

9

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011

(C0 awal)

(C2 passes)

(C3 passes)

(C4 passes)

Gambar 6. Struktur mikro AA5154 awal dan hasil ECAP setelah pemanasan 450oC.

Gambar 6 di atas dapat dijelaskan bahwa struktur mikro hasil ECAP rute C setiap pass setelah pemanasan 450oC. Semua gambar menunjukkan terjadi perubahan pola geometri butiran dari equiaxed ke elongated dan pengukuran ukuran butir dengan metode point acounting menunjukkan terjadi pembesaran diameter butir rata-rata pada masing-masing gambar yaitu; 93 m ukuran awal, 59 m setelah 2nd passes, 42 m setelah 3rd passes, 26 m setelah 4th.passes. pembesaran butir hal ini disebabkan akibat belum mencapai proses rekristalisasi butir atau proses pembentukan butiran baru yang akan menghasilkan butiran yang halus. Pada Gambar 7 di bawah ini menunjukkan gambar strukur mikro hasil kombinasi ECAP+50% roll setelah pemanasan pada temperatur 450o C.

(C0+50% rolling)

(C2 passes+50% rolling)

(C3 passes+50% rolling)

(C4 passes+50% rolling)

Gambar 7. Struktur mikro AA5154 awal dan hasil kombinasi ECAP+50% roll setelah pemanasan 450oC.

Gambar 7 di atas dapat dijelaskan bahwa struktur mikro hasil ECAP rute C setiap pass setelah pemanasan 450oC. Semua gambar menunjukkan terjadi perubahan pola geometri butiran dari elongated ke equiaxed dan pengukuran ukuran butir dengan

10

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011metode point acounting menunjukkan terjadi pembesaran diameter butir rata-rata pada masing-masing gambar yaitu; 46 m ukuran awal, 31 m setelah 2nd passes, 20 m setelah 3rd passes, 17 m setelah 4th.passes. pembesaran butir hal ini disebabkan akibat belum mencapai proses rekristalisasi butir atau proses pembentukan butiran baru yang akan menghasilkan butiran yang halus.

3.4

Kaitan antara struktur mikro dengan sifat mekanik Kaitan antara ukuran butir dan kekuatan luluh bahan diperlihatkan pada

Gambar 8 dan 9 di bawah ini. Pendekatan Hall-Petch untuk hubungan ini digambarkan oleh garis linier dalam persamaan (2.1) : = + kd/ 116,22 116,21 116,20 Ys (MPa) 116,19 116,18 116,17 116,16 116,15 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 (d1-0.5 - d0-0.5) mm-0,5 Gambar 8. Grafik hubungan y terhadap (d1-0.5 d0-0.5) hasil proses ECAP. Ys = 116,16 + 0,47(d1-0.5 - d0-0.5)

Menurut persamaan Hall Petch yang menyatakan bahwa harga konstanta (k) merupakan nilai gradien dari persamaan garis lurus tersebut, maka nilai konstanta aluminium hasil ECAP rute C yang diuji tarik dengan laju adalah sebesar 0,47 MPam1/2 . pada Gambar 8 di atas dapat dijelaskan bahwa perbedaan orientasi antar

11

Teknik Metalurgi FT. Untirta 2011batas butir berbanding lurus dengan kekuatan luluh dimana semakin tinggi perbedaan orientasi batas butir maka semakin tinggi pula kekuatan luluhnya, perbedaan orientasi batas butir akan terjadi pada kondisi butiran yang heterogen.

119,31 119,31 119,31 Ys (MPa) 119,31 119,31 119,31 119,31 119,31 119,31 119,31 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 (d1-0.5 - d0-0.5) mm-0,5 Gambar 9. Grafik hubungan y terhadap (d1-0.5 d0-0.5) hasil proses kombinasi ECAP+50% Roll. Menurut persamaan Hall Petch yang menyatakan bahwa harga konstanta (k) merupakan nilai gradien dari persamaan garis lurus tersebut, maka nilai konstanta aluminium hasil ECAP rute C yang diuji tarik dengan laju adalah sebesar 0,03 MPam1/2 . pada Gambar 9 di atas dapat dijelaskan bahwa perbedaan orientasi antar batas butir berbanding lurus dengan kekuatan luluh dimana semakin tinggi perbedaan orientasi batas butir maka semakin tinggi pula kekuatan luluhnya, perbedaan orientasi batas butir akan terjadi pada kondisi butiran yang heterogen. Ys = 119,31+0,03 (d1-0.5 - d0-0.5)

4.

KESIMPULAN Proses ECAP rute C dan kombinasi antara proses ECAP rute C dengan Rolling

50% terhadap variasi jumlah pass dilakukan pada Aluminium AA5154 paduan Mg. Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian ini adalah : 1. Dari kedua proses ECAP dan kombinasi ECAP+50% rolling terjadi perbedaan sifat mekanik dan stuktur mikro secara signifikan dengan bertambahnya jumlah pass.

12

Teknik Metalurgi FT. Untirta 20112. Semakin tinggi perbedaan orientasi batas butir maka semakin tinggi pula kekuatan secara linier. 3. Semakin banyak jumlah pass maka semakin tinggi kekuatan dan semakin halus butiran struktur mikronya. 4. Nilai maksimum sifat mekanik dari proses ECAP rute C yaitu kekuatan 251 MPa dan kekerasan 78,43 HB, nilai maksimum sifat mekanik dari proses kombinasi ECAP rute C + 50% rolling yaitu kekuatan 277 MPa dan kekerasan 86,17 HB. 5. Pada 4th passes yang lebih baik menghasilkan nilai maksimum sifat mekanik baik dari proses ECAP maupun kombinasi ECAP + 50% rolling. 6. Terjadi perubahan ukuran butir dari kedua proses baik ECAP maupun kombinasi ECAP + 50% rolling dan setelah pemanasan pada 450oC. 7. Hubungan kekuatan dan ukuran butir pada penelitian ini sebagai berikut : a., , = 119,31 + 0,03( ) dengan konstanta (k) , , = 116,16 + 0,47( ) dengan konstanta (k)

temperatur

sebesar 0,47 MPa m1/2 b.

sebesar 0,03 MPa m1/2

5.

DAFTAR PUSTAKA

Bascani P, Tasca L, Vedani M. 2004. Effect of ECAP Processing on Mechanical and Aging Behaviour of An AA6082 Alloy in Nanomaterials by Severe Plastic Deformation. Edited by Zehetbauer, M, Valiev, R. Z. Wiley Vch, Weinheim.

Hagiwara Y, Niikura M, Shimotomai M, Abe Y, Shirota Y. 2001. Creation of Ferrous Super Metal. Journal of the Japan Society for Technology of Plasticity 42(484):402407: in Japanese.

Rosochowski A. 2005. Processing Metals by Severe Plastic Deformation. Solid State Phenomena 101102:1322.

13