Prosiding Pertemuan /lmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

MENINGKATKAN SIFAT MEKANIK BAHAN ALUMINIUMPADUAN (AI -Mg -Si)

l"

?

Ramli SinagaStar peneliti Puslitbang KIM-LWI

ABSTRAKMENINGKATKAN SIFAT MEKANIK BAHAN ALUMINIUM PADUAN (AI- Mg -Si). Perbaikan sifat mekanis

bahan aluminium yang dilakukan dengan proses aging dipengaruhi oleh temperatur dan waktu. Temperatur dan waktu solutiontreatment adalah 540. C dengan waktu 30 menit. Proses aging yang digunakan adalah artifical aging (penuaan buatan) yangdilakukan pada temperatur 100. C, 150. C, 200.C, 250.C, 300.C sedangkan waktu aging divariasikan 5 jam, 10 jam dan 15 jam.Pengujian yang dilakukan meliputi uji tarik, uji kekerasan terhadap sample uji tanpa perlakuan (aging) dan setelah perlakuan(aging). Dari basil penelitian diperoleh kekuatan tarik maksimum terjadi pada temperatur 200. C dengan waktu aging 15 jamsebesar (J. =28,10 kg/mm2, regangan 10,2 % serta kekerasannya (HV) = 81,4 N/mm2 ,sedangkan kekuatan tarik terendah terjadipada temperatur 100. C dengan waktu aging 5 jam sebesar (J. = 7,68 kg/mm2 dan regangan 39,3 % kekerasannya (HV) =53,83N/mm2 Tanpa perlakuan aging diperoleh (J. = 17,71 kg/mm2 , regangan 25,2 % serta kekerasannya (BY) = 66,2 N/mm2

ABSTRACT

IMPROVING THE MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOY-ALUMUNIUM (AI-Mg-Si). Repair mechanicalproperties aluminium which done by aging process influence by temperatur and time. Temperatur and time solution treatment is540. C with holding time 30 minutes. Aging process which to use is artificial aging that to do on temperature 100. C, 150. C, 200.C, 250. C, and 300. C whereas aging time in variation 5 hour, 10 hour,and 15 hour. Experiment which done is ultimate strength,hardness toward sample test without aging treatment and after aging treatment. From the result research gain the maximumultimate strength happen on temperature 200. C by aging time 15 hour is 0". =28.10 kg/mm2 , elongation 10.2 % and hardness(HV) = 81.4 N/mm2 , whereas the lower ultimate strength happen on temperatur 100. C by aging time 5 hour is 0". = 7.68 kg/mm2

and elongation 39.3 % hardness (HV) =53.83 N/mm2. Without aging treatment gain 0". = 17.71 kg/mm2, elongation 25.2 % andhardness (HV) = 66.2 N/mm2 .

LATAR BELAKANG PENELfflAN RUANG LINGKUP PENEUTIAN

Bahan aluminum tennasuk logam ringan yangmempunyai kekuatan tank, tahan terhadap karat dan jugamerupakan konduktor listrik yang baik. Luasnyapenggunaan logam aluminium, khususnya paduan (Al-Mg-Si) yang digunakan untuk konstruksi bangunanseperti kusen, pintu,jendela, ternlis, sehingga dt"butuhkansuatu karateristik sifat mekanis yang betbeda-beda sesuaidengan penggunaannya. Untuk meningkatkan sifatmekanis pada bahan material aluminium dapat dilakukandengan berbagai cara, diantaranya dilakukan denganperlakuan aging yang dipengamhi oleh dua variabel yaitutemperatur dan waktu

Pada penelitian ini bahan baku yang digunakanpaduan AI-Mg-Si (AA6061) standard AluminiumAssociation sedangkan 6061 menyatakan satandard AAdari paduannya Mg dan Si sebagai unsur paduan utamadengan penandaan angka pertama menyatakan sistempaduan dengan unsur-unsur yang ditambahkan, angkakedua menyatakan impuritis atau unsur-unsur pengotordalam paduan, angka ketiga dan keempat menyatakankemumian dalam paduan yang dimodifiksi. Prosesperlakuan aging yang dilakukan dengan parameter-parameter dengan variasi temperatur 100" C, 150" C, 200"C, 250. C, 300" C dengan variasi waktu 5 jam, 10 jam dan15 jam untuk masing-masing temperatur.

Komposisi kimia bahan penelitian (Paduan Al-

Mg-Si=AA6061) ;0,8507%Mg 0,0023 %Zn0,0012 % Pb 0,6629 % Si0,0209 % Co 0,0009 % Sn0,2128%Fe 0,2951 %Cu

1,3417%M~Si0,0316 % Mn 0,0640 % Cr97,851%AI 0,0051 %Ni

O,OI44%Ti

TUJUAN PENELITIAN

Tujuan penelitian ini untuk mengetahuipenggunaan temperatur daD waktu aging dalammemperbaiki sifat mekanis (kekuatan tarik, kekerasanserta struktur mikro) bahan aluminium yang digunakandalam pembuatan profil konstruksi dengan sistemekstruksi didalam proses industri.

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Mater; /IISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

TEORI DASAR berturutan

Paduan AL-Mg-Si

Penambahan unsur Mg yang relatip sedikitdidalam aluminium, pengerasan penuaan sangat jarangterjadi, tetapi apabila secara simultan mengandung (Si),maka dapat dikeraskan dengan penuaan panas setelahper1akuan pelarutan. Hal ini disebabkan karena senyawa(Mg2Si) berfungsi sebagai komponen mumi daDmembuat kesinambungan dalam sistem biDer semudengan aluminium. Paduan dalam sistem ini mempunyaikekuatan kurang baik sebagai bahan tempaan

dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya. tetapisangat liat, mempunyai mampu bentuk yang baik untukpenempaan ataupun untuk ekstruksi. Paduan AI 6063banyak digunakan untuk rangka-rangka konstruksikarena paduan dalam sistem ini mempunyai kekuatanyang cukup baik tanpa mengurangi hantaran listrik daDdapatdilihatpada tabell. 3.Proses A2ing (Qenuaan)

Setelah paduan dicelup, akan diperoleh rasa lewat

Tabell. Sifat mekanik paduan (AI- M~ -Si)( 2)

1. Solution Heat Treatment

Perlakuan panas larutan pada suhu diatas kurvakelarutan. Untuk ekstrusi-ektrusi, suatu perlakuan panaslarutan yang terpisah seringkali tidak perlu, karenabentuk yang berektrusi telah memiliki temper dan kondisi-kondisi yang berkaitan dengan kondisi-kondisi suatupiece yang menerima perlakuan panas larutan.

2. Penceluoan (Quenching)

Proses pendinginan dilakukan didalam media cairyang bertujuan untuk mempertahankan larutan padatyang terbentuk selama proses solution heat treatment.Temperatur pendinginan biasanya tidak terialu jauh daritempemtur ruang. Pendinginan inijuga berfungsi untukmempertahankan jumlah tempat atom kosong yangdibutuhkan selama proses pembentukan endapan.

~3

12,6 5,6 I 30 24,6 14,8 28

31,6 28,0 15T5 19,0 14,8 12 11,9 60 6,7

~ ~.~ ~~,~ I ~~ ~~,~ ~ (;,7T83 26,0 24,6 I II IS,S 82 -

Perlakuan panas paduan Aluminium jenldl. Fasa ini bersifat menstabilkan dan berubah menjadirasa lain yang cendnmg membentuk presipitasi, rasa

Aluminium paduan baik produk mill maupun kedua memberikan efek penguatan kepada paduan,produk cor dapat dibagi menjadi dua grup yaitu : proses ini dinamakan aging. Proses aging dapat dilakukan1. Paduan Non Heat treatable, yaitu paduan aluminium dengan membiarkan material dalam temperatur kamar (ag-yang tidak dapat dikeraskan dengan proses perlakuan ingalamiah) atau memanaskan material dalam temperaturpanas heat treatment tinggi (aging buatan). Aging alamiah dapat terjadi dalam2. Paduan Heat treatable, yaitu paduan yang dapat beberapa jam sampai berbulan-bulan, contohnyadikeraskan dengan pr~s~s perl~ ~anas. paduan (AlCuM~ atau AA2024) pada gambar I. Pada

Menurut AlUIDlmum Association, grup paduan agingaIamiall, penguraianfasa (a.) bernwal dari terjadinyanon heat treatable terdiri dari paduan-paduan dari seri : endapan koheren yang kaya kandungan Cu. Zone iniI~ (minimum 99,OOO/oAl) ; 3~ (Al- Mn); 4~ (Al- dinamakan GP (guinerp~n). Endapan ini menimbulkanSi); 5~ (Al- Mg), Sedangkan grup paduan aluminiumheat treatable terdidi dari paduan-paduan dari seri : 2xxx(Al- Co) ; 6xxx (Al-Mg -Si); 7xxx (Al- Zn)

Perlakukan panas dilakukan untuk mendaptakansifat mekanis yang diperlukan pada paduan aluminiumyailu dengan mengubah tingkat kelarutan sualu unsuratau senyawa suatu paduan, misaInya (M~Si) pada pre-cipitation hardening atau age hardening.

Prinsip-prinsip metalurgi Pengerasan Presipitasi(presipitation hardening) :

(A). Ooerasi-ooerasi Perlakuan Panas (Heat Treatin1!).

Untuk pengerasan penuaan (age hardening),perlakuan panas dilaksanakan dalam tiga langkah

~..'q("

~. 0""~ ',.,,',;,

:;O/(!!i'tfrlfsectll~t.~ll

(;ii'."""}.:'-'!','

arl.':tiClu! aYtfJ!I).~--~~--~-",. ,

"~ilul'l?l iJ,Qi."ig, '.7(10-

11

tJ j) !)!ilTleif1t,

J2 i..)'

Gambar 1 Perlakuan panas yang menunjukkanpengerasan penuaan dari AICuMg,(AA2024) (2]

Ramli Sinaga 91

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktoher 1998 ISSN1410-2897

perlahan-lahan atas billet ekstrusi setelah homogenisasi

mengakibatkan presipitasi yang cukup besar dari atom-atom magnesium dan silikon menjadi partikel-partikelberukuran sedang pada awal proses ekstrusi danmengakibatkan kekuatan paduan berkurang. Selamaekstrusi dan sesudahnya, sebagian besar presipitatkembali ke dalam larutan. Semakin kurang homogen suatubillet ekstrusi, semakin tinggi kehati-hatian yang dituntutuntuk mengembalikan presipitat-presipitat M~Si kedalam larutan sebelum mendinginkan bentuk tersebut,untuk mendapatkan sifut -sifat mekanis yang cukup tinggimelalui penuaan yang menyusul. Suatu kriteria yangpenting adalah subu saat keluar (exit temperature) yangmungkin 480-550. C untuk AA6063, tergantung dari sububillet, kecepatan pres dan tekanan ekstrusi. Keberadaanpresipitat kasar mempermudah ekstrusi, namun demikiankondisi harus dipilih supaya presipitat-presipitat tersebutkembali ke dalam larutan sebelum bentuk itu didinginkan.

tegangan lokal dan memberikan efek penguatan padabahan.Pada aging buatan biasanya dilakukan padatemperatur 200°C -300°C sehingga akan terbentuk rasa«I» yang stabil. Lama kelamaan endapan akan membentukstmktur yang inkoheren dengan matrik, rasa ini disebut«I» (endapan CuAlJ dengan stmktur kristal ortorombik,karerui susunan yang koheren, maka distorsi hilang danefek penguatan atau kekerasannya naik.

U otuk suatu jaenis paduan tertentu kemampuanuntuk mengalami pengerasan penuaan (agehardenability), serta range suhu untuk perlakuan panaslarutan, dapat ditentukan dari bagian bawah diagramkesetimbangan yang menunjukkan keadaan padat. Padaseksi berikut, langkah-langkah yang diambil selamaperlakuan panas dipertimbangkan bersama denganpembahan-pembahan yang diamati pada stmktur.

Bila temperatur aging terlalu tinggi atau waktuaging terlalu lama, maka akan dapat menimbulkan kondisiover aging, dimana mengakibatkan terjadinya penumnankekuatan atau kekerasan material. Kekuatan daDkekerasan sangat dipengaruhi oleh morfologi endapan(partikel) yang terjadi, seperti terlihat pada gambar 2.

TATA KERJA PENELITIAN

f---t~'f 6? .-.

*:'~'~~~~1

'-rh') -'-. O..-c- ~~"'~ .,,""" I", "~ -".~-

,;."t ""-;"" ~ , ...i~:S I-J ~.~, ~' ,

"( JOt)L--:-:-:--,.::::-:..c :::~:=:..""

Gambar 2. Pengaruh morfologi partikel terhadappergerakan dislokasi [I)

Sam~l uji yang dilakukan dengan dua tahapan:yang ~rtama dilakukan dengan proses ~rlakuan panasdaD yang kedua tanpa perlakuan panas, kemudiandilakukan ~ngujian sifat mekanis (uji tarik, kekerasandaD metalografi). Proses perlakuan panas yangdilakukan pada sam~l-sampel uji dengan solution heattreatment padatemperatur 540 °C selama 30 menit,kemudian didimginkan di air,selanjutnya dilakukanproses ~nuaan buatan (artificial aging) dengan variasitemperatur dari 100, 150,200, 250 mn 300"C juga denganvariasi waktu aging 5, 10, 15 jam untuk setiap variasitemperatur diatas.Diagram alir tata kerja diberikan dalamgambar 3.

Kemudian dilakukan ~mbuatan sample uji tarik,uji kekerasan daD metalografi, kemudian dilakukanpengujian untuk setiap sampel uji untuk masing-masingvariasi temperatur daD waktu aging, hat ini dilakukanuntuk mengetahui temperatur dan waktu aging yangmendekati suat mekanis yang tertera pada tabel1.

a). Partikel halos dengan jarak yang rapat, maka dislokasisukar bergerak, sehingga diperoleh kekuatan material

yang tinggi.b). Partikel berukuran sedang dan tersebar padajarakyang agak jauh, dislokasi relatif mudah bergerak,sehinggakekuatan material menjadi agak rendah.c). Partikel besar dan tersebar pacta jarak yang sangatjarang, maka dislokasi sangat mudah bergerak, sehinggakekuatan materialnya sangat rendah.

HASH.. PENELITIAN

(B). Penataan kembali selama homoeenisasi dan ekstmsiDOOnan AlMI!Si (AA6061 ).

Sampai saatini barn ada sedikit sturn mengenaimekanisme preipitasi yang sebenarnya pada paduankomersial. Pernbahan-pernbahan struktural yang didugaterjadi pada paduan AlMgSi 0,5 (AA6063), hal illmenggambarkan diameter maksimum dan ukuran rata-rata presipitat daD zone yang mungkin akan didugaterdapat pada tahap-tahap yang berbeda daTi fabriksi,hila suatu billet ekstrnsi dan bentuk yang diproduksimengikuti siklus termal yang saat ini digunakan diindustri, hal ill menggambarkan suatu pendinginan

Data Basil Pengujian Tank

Dari basil pengujian tarik dengan variasitemperatur aging dan waktu aging yang digunakan dapatdilihat pada tabel 2. Dari dasar teori pengujian dapatdiIihat pada gambar 4 dan 5.

Data Basil Pengujian Kekerasan

Pengujian kekerasan menggunakan metodaVichker dengan identor beIbentuk pirarnida bujur sangkaryang terbuat dari intan. Proses pengujiannya denganmemasang sampel uji yang telah dihaluskanpermukaannya sampai rata pada mesin uji dan hasilnyadapat dilihat pada tabel 3.

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -2l Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Tabel 2 Hasil pengujian tarik rata-rata (a.)terhadap temperatur (OC) dan waktu aging(jam) serta grafiknya.

DIAGRAM ALIR'rATA I<EIUA

Q

cru

r"Q;;;;w..\Id~1ir

~mm1.76814563010 14402764 24601485 21,202641 21,902899 16,702680 12,4028 10 10,201834 12901722 15,301855 13,201675 24 101446 29,901422 ISO

.tp -1771 25.2

Gambar 3. Diagram alir tata kerja

PEMBAHASAN

Dari label 2 diperoleh kekuatan tarik maksimumterjadi pada temperatur 100 DC dan waktu aging 15 jam,hal ini didukung oleh distribusi M~Si yang lebih mel'ata,demikian juga pada t = 150 DC clan waktu aging 15 jam

kekuatan tariknya menurnn, tetapi pada t =200 DC clanwaktu aging 5 jam kembali kekuatan tariknya naik hinggawaktu aging 15 jam. Mulai dari t =250 DC hingga t=300 DCdengan variasi waktu aging, kondisi tegangan tarik ternsmenurnn, hal ini menandakan terjadinya over aging dankondisi ini sangat merngikan.

Dari tabel 3 diperoleh kekerasan maksirnum teljadipada temperatur 200DC waktu aging 15 jam hal inididukung oleh struktur presipitat yang terdistribusimerata. Mulai dati tempeartur 250 DC hingga 300 DCkekerasannya terns menurnn, hal ini menunjukkan sifatlogam mendekati nilai kekuatan tariknya.

Dati basil metalografi daIXolt dilihat pada temperatur100 "C dan waktu aging 5 jam hingga 10 jam belum memta,tetapi pada waktu aging 15 jam distribusi butiran lebihmerata. Pada temperatur 150 DC daD waktu aging 5 jambutiran terdistribusi, tetapi mulai mengumpul clan

Ramli Sinaga 93

ISSN 1410-2897

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher 1998 ISSN 1410-2897

Tabel 3. Hasil pengujian kekerasan (HV) rata- rataterhadap temperatur (OC) dan waktu aging (jam).

illHV

SampelWaktuAging(jam)

Temp.Aging(C)

,

(N/mm1

i 53,8351015

~10

§,2§74.04

100Gambar7. Struktur mikro paduan AI 6061, temperatur

aging 100 .c, waktu aging IS jam, pembesaran48,9050.231506546==~~~~~60.50

155

200 10

!i510250155 II

-52,66 .

44.13300 1015 ~

66,20t.p Gambar 8. Struktur mikro paduan AI 6061, temperaturaging 200 .C, waktu aging 15 jam, pembesaran

Gambar 9. Struktur mikro paduan AI 6061, temperaturaging 250 °C, waktu aging 15 jam, pembesaran

A ~

Gambar 6. Struktur mikro paduan AI 6061, tanpaperlakuan panas, pembesaran 50 x;A=putihkecil= MgzSi, B=hitam = AI, C=putih

besar=Fe)SiAI,Z

."'.'

Gambar 10. Struktur mikro paduan AI 6061, temperaturaging 300 .C, waktu aging 10 jam,

pembesaran 50 x

KESIMPULANkumpulan butiran terns berlanjut hingga waktu aging 10jam hingga terbentuk butiran yang lebih besar darisebelumnya dan hal ill terns berlanjut hingga waktu aging10 jam hingga terbentuk butiran yang lebih besar darisd>elumnya dan hat ini terns berlanjut hingga waktu aging15 jam.. Pada temperatur 200 °C distribusi Mg2Si lebihmerata distribusinya hingga waktu aging 15 jam

Mulai temperatur 250 °C hingga 300 °C denganvariasi waktu aging, penyebaran butiran tidak merata daDbutiran lebih besar makin banyak terbentuk, keadaan inisangat merugikan, karena akan menurunkan sifat mekanis

bahan yang disebut over aging.

Berdasarkan analisa daD pembahasan yangdilakukan terhadap hasil penelitiandapat disimpulkansebagai berikut :1. Sifat mekanis tertinggi dari paduan AI-Mg-Si

(AA6061) sangat dipengaruhi oleh temperatur dan

waktu aging.2. Kekuatan tarik amksimum terjadi pada t= 100°C dengan

waktu aging 15 jam, tetapi dari pembahasan diperolehbahan yang memiliki sifat kuat dan keras terjadi padatemperatur 2000C dengan waktu aging 15 jam sebesar

cr =28,10 (kg/mm1) dan kekerasannyaHV=81,4 (Ntu

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

mm2) serta regangan sebesar E =10,2 %3. Di~ tempemtur aging 200.C mulai terjadi pelnlrunan

sifat mekanis, sehingga kondisi ini menandakanterjadinya over aging yang mengakibatkan pembahanpada struktur mikro dan kekuatannya menUnIn.

4. Dari kesimpulan diatas diperoleh harga temperaturdan waktu aging mendekati tabell diatas.

DAFfAR PUSTAKA.

(I). ADNYANA D. N., Logam dan Paduan , TinjauanTentang Proses Pengolahan dan Hubungan AntaraStruktur dengan Sifat -sifat Mekanis, Jakarta, 1989

(2]. ALTENPOLH. D,Aluminium Viewedfrom Within,Dusseldorf, 1982

(3]. SAITO, S DAN SURDIA T ATA,PengetahuanBahan Teknik, edisi ketiga, Pradnya Paramita;Jakarta, 1995

(4]. SMmI, WilLIAM F, Structure and Properties Al-loy", McGraw-Hill Book Company, 1981

(5]. Technology of Aluminium Product, by SBP Boardof Consultants & Engineers Pvt, Ltd. New Delhi.

95Ramii Sinaga