PENGARUH PENAMBAHAN %Vf PARTIKEL NANO SiC TERHADAP …

1 Universitas Indonesia

PENGARUH PENAMBAHAN %Vf PARTIKEL NANO SiC TERHADAP SIFAT

MEKANIK DAN MIKROSTRUKTUR KOMPOSIT Al6061 PRODUK STIR CASTING

Karlina Oktaviana1 dan Anne Zulfia1

1. Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok

Email: [email protected]

Abstrak

Penambahan partikel nano SiC kedalam matriks Al6061 menghasilkan material komposit dengan kekuatan mekanis yang tinggi namun tetap mampu mempertahankan sifat ulet. Magnesium sebesar 10% Vf juga ditambahkan sebagai agen pembasah agar didapatkan ikatan yang kuat pada daerah antarmuka. Pada penelitian ini digunakan variasi penambahan partikel nano SiC sebesar 0,05%, 0,10%, 0,15%, 0,20% dan 0,30% untuk mengetahui titik optimal penambahan penguat. Hasil dari penelitian ini menunjukkan penambahan partikel nano SiC optimal di komposisi 0,15%, dengan kekuatan tarik 263,43 MPa, presentase elongasi 7,67%, kekerasan 56,5 HRB, dan harga impak sebesar 0,0550 J/mm2. Peningkatan kekuatan mekanis pada komposit dihasilkan dari kehadiran fasa penguat Mg2Si, distribusi partikel nano SiC yang merata, serta pembasahan yang baik antara matriks dan partikel penguat.

Effect of %Vf nano-particles SiC on Mechanical Properties and Microstructure of Al6061 Composite Produced by Stir Casting

Abstract

The addition of nano SiC particles to Al6061 matrix has enhancing the mechanical properties of metal matrix composite while the ductility properties still maintained. 10% Vf of magnesium were used as wetting agent to achieve strong interface bonding. In the present work, Al6061 reinforced with various amounts (0,05%, 0,10%, 0,15%, 0,20% and 0,30%) of nano SiC were prepared. Results of this study shows the optimum content of nano SiC in Al6061 matrix were 0,15% Vf, with UTS (Ultimate Tensile Strength) reached 263,43 MPa, 7,67% elongation, hardness up to 56,5 HRB, and 0,0550 J/mm2 impact value. The enhancement of mechanical properties of Al6061/SiC composite were influenced by the presence of Mg2Si phase, good distribution of nano SiC particles, and also good interface bonding between matrix and reinforce.

Keywords: Al 6061, nano SiC, mechanical properties, Stir Casting

1. Pendahuluan

Seiring dengan berkembangnya teknologi, material juga dituntut untuk terus

berkembang agar dapat menyeimbangkan perkembangan teknologi. Material dengan

weight to strength ratio yang tinggi terus dikembangkan demi efisiensi energi dan

mengurangi dampak emisi bahan bakar terhadap lingkungan.[1] Bidang otomotif,

pertambangan, kedirgantaraan, peralatan luar angkasa, dan pertahanan adalah beberapa

bidang membutuhkan material dengan kekuatan tinggi namun ringan dan tetap

ekonomis(Muley, Aravindan, and Singh 2015). Oleh karena itu, penelitian dan modifikasi

terkait material terus dilakukan. Salah satu material yang terus dikembangkan adalah

Pengaruh penambahan ..., Karlina Oktaviana Istiqomah, FT UI, 2016

Metal Matrix Composite (MMC) atau komposit bermatriks logam. Komposit bermatriks

logam telah dibuktikan mampu menyediakan kombinasi sifat mekanis dan fisika seperti

yang diperlukan dalam berbagai aplikasi. Beberapa kombinasi sifat mekanis dan fisika ini

meliputi: kekuatan tinggi, koefisien ekspansi termal rendah, tahan temperatur tinggi,

kapasitas redam yang baik, ketahanan aus tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi dan juga

ketahanan korosi yang sangat baik. (Bodunrin, Alaneme, and Chown 2015)

Fokus utama dalam material komposit adalah matriks dan penguatnya, serta

hubungan antara keduanya. Dalam komposit bermatriks logam, Aluminium, Magnesium,

Titanium, dan Tembaga adalah beberapa logam yang umum digunakan sebagai matriks

dalam komposit. Sedangkan penguat yang digunakan umumnya adalah material keramik

seperti SiC dan Al2O3. Berkaitan dengan hal ini, penulis melakukan penelitian dengan

fokus kepada komposit dengan matriks aluminium dan penguat keramik berupa Silikon

Karbida yang berukuran nano. Aluminium sendiri dipilih karena memiliki kekuatan yang

baik, ringan, dan temperatur leleh yang rendah sehingga akan mempermudah proses

pembuatan. Dari banyak seri aluminium, penulis memilih untuk menggunakan aluminium

seri 6 yaitu seri 6061 dengan kandungan Aluminium, Silikon, Besi, Tembaga, Mangan,

Magnesium, Chromium dan beberapa unsur lainnya(Sanders 2001). Aluminium seri 6061

dipilih karena kekuatan nya tinggi dan juga ketahanan korosinya yang sangat baik(Sanders

2001). Sementara silikon karbida diharapkan dapat menambah kekerasan, ketahanan aus,

dan kekuatan tarik dari matriks aluminium(Rahman and Rashed 2014). Dalam penelitian

ini, digunakan silikon karbida berukuran nano, karena penguat berukuran nano telah

dinyatakan mampu meningkatkan sifat mekanik dari matriks Al lebih baik dari penguat

berukuran mikro(Muley, Aravindan, and Singh 2015). Sedangkan untuk memperkuat

ikatan antara matriks dan penguatnya, ditambahkan Magnesium sebagai agen pembasah.

Magnesium akan menurunkan tekanan permukaan pada material, sehingga akan mudah

terjadi pencampuran antara penguat dan matriks(Surappa 2003). Semakin kuat ikatan

antara matriks dan penguatnya, maka akan semakin tinggi sifat mekanik yang dapat

dicapai.

Untuk proses pembentukan komposit bermatriks aluminium ini, penulis

menggunakan metode pengecoran aduk. Cara ini digunakan karena biaya yang relatif

murah dan prosesnya yang cukup sederhana. Diharapkan, lewat penelitian ini, akan

dihasilkan material yang memiliki kekerasan dan ketangguhan yang baik, ketahanan

korosi, ketahanan fatik yang tinggi, serta tetap memperhatikan sisi ekonomisnya.


3

• Perumusan Masalah

Penelitian ini akan membahas pengaruh penambahan %Vf nano SiC sebanyak

0,05, 0,1, 0,15, 0,2, dan 0,3 % kedalam matriks aluminium 6061, dengan penambahan

10 wt% Mg untuk meningkatkan sifat mekanis dari Al A6061 lewat metode

pengecoran aduk. Berikut perumusan masalah pada penelitian ini :

1. Bagaimana pengaruh penambahan %Vf nano SiC kedalam matriks Al A6061

terhadap sifat mekanisnya ?

2. Bagaimana mekanisme penguatan nano SiC pada komposit Al A6061/SiC ?

3. Bagaimana mikrostruktur hasil pengecoran komposit Al A6061/SiC ?

4. Bagaimana distribusi partikel SiC di dalam matriks Al A6061 lewat metode

pengecoran aduk ?

• Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Membuat komposit dengan matriks Al A6061 dengan penguat 0,05, 0,1, 0,15,

0,2, dan 0,3 Vf % nano SiC ditambah dengan Mg sebanyak 10 wt% lewat metode

pengecoran aduk

2. Mengkarakterisasi matriks komposit Al A6061 dengan penguat 0.05, 0,1, 0,15,

0,2, dan 0,3 Vf % nano SiC ditambah dengan Mg sebanyak 10 wt% lewat metode

pengecoran aduk agar diketahui sifat mekanisnya

3. Mengamati dan meneliti mikrostruktur komposit Al A6061/SiC dengan variasi

Vf% nano SiC lewat metode pengecoran aduk

4. Mendapatkan komposisi penambahan optimal dari nano SiC ke dalam matriks Al

A6061 yang memberikan sifat mekanis terbaik

2. Tinjauan Teoritis

2.1 Nano Partikel SiC

Silikon karbida merupakan material keramik yang memiliki kekerasan dan ketahanan

terhadap perubahan suhu mendadak yang sangat tinggi. Selain itu SiC juga tidak dapat

diserang oleh asam dan basa hingga temperatur 8000C (Dwi Rahmalina et al. 2012). Di

atmosfer, SiC membentuk lapisan pelindung silikon oksida pada 12000C yang

membuatnya dapat digunakan hingga temperatur 16000C. Konduktivitas thermal yang

tinggi dikombinasikan dengan ekspansi termal yang rendah dan kekuatan yang tinggi

menjadikan material ini memiliki ketahanan thermal shock yang sangat baik (Fan and Chu


4

2014). Semakin banyak %Vf SiC yang ditambahkan maka kekerasan dari material akan

semakin meningkat, begitu juga dengan kekuatan tariknya. Namun, seiring bertambahnya

jumlah SiC, waktu pengadukan yang dilakukan akan semakin lama, menyebabkan lelehan

logam terkontaminasi dengan udara, dan menyebabkan timbulnya void. (Dwi Rahmalina

et al. 2012)

Partikel SiC didalam matriks logam menghambat pergerakan dislokasi. Disamping itu,

partikel SiC dapat merubah struktur dendritik matriks aluminium menjadi struktur yang

lebih bulat dan halus, sehingga membuatnya juga berfungsi sebagai penghalus butir

(Moses, Dinaharan, and Sekhar 2014). Hal inilah yang dapat meningkatkan sifat mekanis

dari komposit. Peningkatan sifat mekanis ini dapat dicapai apabila ikatan antarmuka

matriks dan penguat bersih dan kompak, tanpa kehadiran produk hasil reaksi ataupun

void. (Moses, Dinaharan, and Sekhar 2014)

Dalam penelitian kali ini, penulis memilih untuk menggunakan partikel SiC berukuran

nano. Partikel SiC berukuran nano mampu meningkatkan sifat mekanis dari komposit

dibandingkan dengan partikel SiC yang berukuran mikro. Hal ini dikarenakan semakin

kecil ukuran partikel SiC, maka akan semakin tinggi luas permukaan yang dihasilkan dan

akan seiring dengan meningkatnya energi permukaan. Hal ini menyebabkan semakin

banyak dan semakin baik ikatan yang terbentuk antara matriks dengan partikel SiC. (Fan

and Chu 2014)

2.2 Aluminium 6061

Aluminium seri 6061 adalah paduan aluminium yang paling banyak digunakan

dibandingkan dengan paduan aluminium seri 6xxx lainnya. Aluminium 6061 dapat

menerima perlakuan panas dengan kekuatan menengah sampai tinggi. Selain itu,

aluminium 6061 memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi, kekuatan fatik menengah,

serta memiliki kemampulasan yang baik (Kaufman and Rooy 2004). Berikut adalah tabel

komposisi dari aluminium 6061 berdasarkan pengujian OES yang dilakukan di

Departemen Teknik Metalurgi dan Material Tabel 1. Komposisi Kimia Al A6061

Unsur Persentase (%)

Si 0,819

Fe 0,161

Cu 0,217


5

Mn 0,0169

Mg 2,69

Zn <0.0050

Ni <0,0050

Cr 0,0577

Al Sisa

2.3 Magnesium

Magnesium adalah unsur kedelapan yang paling banyak terkandung dalam kerak

bumi. Dalam tabel periodik unsur ini menduduki golongan alkali tanah dengan nomor

atom 12 dan massa atom sebesar 24,305 amu. Magnesium memiliki densitas sebesar

1,738 g/cm3, titik lebur 9230K, dan titik didih 13630K. Densitas magnesium hanya sekitar

2/3 dari densitas aluminium, hal ini menjadikannya logam ringan yang luas

pengaplikasiannya. Magnesium dalam komposit diketahui dapat meningkatkan sifat

mekanik dari komposit. Hal ini disebabkan karena Mg merupakan agen pembasah yang

dapat meningkatkan kemampubasahan antara matriks dan penguat dalam komposit.

Seiring dengan meningkatnya kemampubasahan, maka partikel penguat dapat terdispersi

lebih merata dan ikatan antarmuka yang terbentuk antara matriks dan penguat akan

menjadi lebih kuat dan kompak (Syahrial n.d.). Dalam beberapa penelitian disebutkan

bahwa magnesium akan bersegregasi pada daerah antarmuka dari matriks dan penguat,

kemudian akan menghasilkan ikatan yang kuat berupa fasa MgAl2O4 melalui suatu reaksi

kimia. Selain itu, peningkatan kemampubasahan juga disebabkan penambahan magnesium

akan menurunkan tegangan permukaan dari cairan lelehan. Namun penambahan Mg yang

tinggi dalam aluminium paduan tidak disarankan karena dapat menurunkan ketahanan

korosi dari paduan dan membuat material menjadi lebih getas karena terbentuknya

senyawa Al3Mg2 yang menyebabkan penurunan sifat mekanik dari paduan (Geng et al.

2010), sehingga pada penelitian ini penambahan Mg akan dibatasi pada 10 wt% supaya

hasil penambahannya optimum.

2.4 Pengecoran Aduk

Proses pengecoran aduk merupakan proses yang ekonomis untuk memproduksi

komposit bermatriks aluminium atau aluminum matrix composites (Geng et al. 2010).

Pada pengecoran aduk, partikel penguat dimasukkan dan didistribusikan ke dalam matriks


6

lelehan lewat pengadukan secara mekanik. Setelah partikel penguat dimasukkan kedalam

matriks, gas inert diinjeksikan kedalam lelehan komposit untuk mencegah terjadinya

oksidasi. Proses pengadukan dilakukan terus menerus hingga seluruh partikel paduan

telah selesai dicampurkan. Kemudian lelehan komposit siap dituang kedalam cetakan.

(Moses, Dinaharan, and Sekhar 2014)

Permasalahan utama yang sering terjadi pada pengecoran aduk adalah segregasi dari

partikel penguat, yang disebabkan oleh pengendapan partikel penguat selama proses

pelelehan dan pencampuran berlangsung. Maka dari itu proses pelelehan dan

pencampuran harus selalu dikontrol agar tercapai hasil yang diinginkan. Kecepatan

pengadukan, temperatur pengadukan, temperatur preheat penguat, temperatur preheat

cetakan, temperatur penuangan, dan degassing merupakan beberapa parameter yang perlu

diperhatikan dalam proses pengecoran aduk.

3. Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan agar didapatkan material yang memiliki sifat mekanis

menyerupai baja namun dengan densitas rendah supaya optimal dalam aplikasinya

sebagai badan roket. Untuk pengujian yang dilakukan meliputi karakteristik material,

yaitu: Pengujian Tarik, pengujian tarik dilakukan berdasarkan standar ASTM E8 dengan

menggunakan alat Gotech AL-7000 LA 10, pengujian kekerasan dilakukan berdasarkan

standar ASTM E18-11, yaitu metode Rockwell B. Metode ini menggunakan indentor

bola baja berdiameter 1/16” dengan beban 100 Kgf, pengujian impak dilakukan dengan

menggunakan metode Charpy bertakik V, dengan standar pengujian ASTM E23,

pengamatan metalografi dapat dilakukan dengan menggunakan mikroskop optic dengan

standar ASTM E3 – 11, pengujian porositas dan densitas menggunakan perhitungan

hokum campuran, dan pengamatan TEM, SEM, serta EDX untuk pengamatan

fraktrografi dari perpatahan sampel dan mengecek kandungan kimia pada fasa atau titik

tertentu.


7

0

4

8

12

16

20

Al 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.30%

%

VfNanoSiC

4. Hasil Penelitian 4.1 Hasil pengujian Tarik dan Elongasi

Grafik 1. Grafik Nilai UTS (atas) dan Elongasi (bawah)

4.2 Hasil Kekerasan

Grafik 2. Grafik Kekerasan

150

175

200

225

250

275

300

Al 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.30%

Mpa

VfNanoSiC

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

55.0

60.0

Al 0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.30%

HRB

VfNanoSiC


8

0.0300

0.0350

0.0400

0.0450

0.0500

0.0550

0.0600

0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.30%

Joule/mm2

VfNanoSiC

2.252.32.352.42.452.52.552.62.65

gr/cm

3

VfNanoSiC

DensitasAktual

DensitasTeori;s

6.846.20 5.77

10.8212.14

4

6

8

10

12

14

0.05% 0.10% 0.15% 0.20% 0.30%

%

VfNanoSiC

4.3 Hasil Harga Impak

Grafik 3. Grafik Harga Impak

4.4 Hasil Porositas dan Densitas

Grafik 4. Grafik Porositas (atas) dan Densitas (bawah)


9

4.5 Hasil Mikrostruktur

Gambar 1. Mikroskop optikal dengan perbesaran 200x: (a) Al-Mg-Si tanpa penguat; (b) 0,05 %vf; (c) 0,10 %vf; (d) 0,15 %vf; (e) 0,20 %vf; dan (f) 0,30 %vf.


10

4.6 Hasil Fraktografi

4.7 Hasil Uji SEM/EDS

Gambar 3. Lokasi pengamatan kandungan unsur dengan EDS pada perbesaran 500x terhadap Komposit

Al6061/SiC 0,15%Vf partikel penguat

Tabel 2. Hasil Komposisi Unsur Uji EDS pada Komposit Al6061/SiC untuk Gambar 3

Titik Unsur (%)

Fasa yang Mungkin Al Mg Si O

a 91,68 8,23 - - Porositas (hanya

matriks)

b - 74,09 25,91 - Mg2Si Primer

c 87,38 9,19 3,43 - Mg2Si Biner

Gambar 2. Permukaan patahan komposit paduan Al-Mg-Si berpenguatan 0,30 % Fraksi volume nano partikel SiC

dimplemicrocrack


11

4.8 Hasil Uji TEM/EDS

Gambar 4. Pengamatan TEM (a) dan lokasi pengujian EDS (b) terhadap Komposit Al6061/SiC

dengan 0,15%Vf partikel penguat

Gambar 5. Hasil EDS pada aaerah antarmuka matriks dan penguat Komposit Al6061/SiC


Gambar 6. Hasil EDS mapping pada lokasi partikel penguat Komposit Al6061/SiC dengan


a b


12

5. Pembahasan

5.1 Pengujian Tarik dan Elongasi

Berdasarkan Grafik 1 (atas), nilai kekuatan tarik (UTS) sampel komposit lebih tinggi

dibandingan Al 6061 tanpa penguat. Kekuatan tarik tertinggi didapatkan pada komposisi

0,15 % nano SiC, kemudian nilai kekuatan mengalami penurunan kembali pada

komposisi SiC lebih dari 0,15 %. Kenaikan yang terjadi dikarenkan adanya mekanisme

transfer beban dan mekanisme penguatan Orowan yang merupakan interaksi antara

partikel nano dan dislokasi (Casati and Vedani 2014). Pada komposit berukuran nano,

mekanisme penguatan Orowan berkontribusi lebih besar dibandingkan mekanisme

transfer beban. Sementara pada komposisi partikel penguat diatas 0,15% terjadi

penurunan kekuatan tarik. Hal ini disebabkan karena adanya peningkatan porositas.

Peningkatan fraksi volum partikel penguat menyebabkan pembentukan cluster partikel

penguat dan meningkatkan porositas. Daerah dimana partikel penguat yang membentuk

cluster merupakan daerah dengan konsentrasi tegangan yang tinggi, sehingga dapat

menjadi daerah awal kegagalan material. Sementara peningkatan porositas yang

terbentuk dapat membatasi elongasi sehingga akan menurunkan kekuatan material.

(Ahmad 2005)

Berdasarkan Grafik 1 (bawah), terlihat penambahan partikel nano SiC sebagai

penguat menurunkan presentase elongasi yang menandakan terjadinya penurunan

keuletan pada material komposit Al6061/SiC. Hal ini disebabkan adanya partikel penguat

didalam matriks yang menghambat pergerakan dislokasi sehingga menahan laju

deformasi (Banerjee and Manna 2013) . Sementara elongasi tertinggi didapatkan pada

0,15%Vf nano SiC yang juga merupakan komposisi UTS tertinggi. Hal ini dikarenakan

pendistribusian partikel nano SiC yang merata. Clustering partikel penguat akan

menyebabkan penumpukan dislokasi, yang mengakibatkan elongasi menjadi terbatas.

Sementara pada pendistribusian partikel nano SiC yang merata, dicapai keseimbangan

yang baik antara efek penguatan (penghambatan dislokasi) dan pergerakan dislokasi,

sehingga kekuatan luluh dan keuletan dapat dipertahankan. (Banerjee and Manna 2013)


13

5.2 Pengujian Kekerasan

Pada data kekerasan Grafik 2, menunjukkan bahwa kekerasan sampel komposit

lebih tinggi dibandingan Al 6061 tanpa penguat. Kekerasan tertinggi didapatkan pada

komposit dengan komposisi 0,15% nano SiC, kemudian nilai kekerasan mengalami

penurunan kembali pada komposisi SiC lebih dari 0,15%. Peningkatan nilai kekerasan

yang signifikan pada komposit dibandingkan dengan Al 6061 tanpa partikel penguat

disebabkan oleh peran partikel nano SiC sebagai penghalang pergerakan dislokasi,

sehingga deformasi lebih sulit terjadi (Sajjadi, Ezatpour, and Torabi Parizi 2012).

Sementara penurunan kekerasan yang terjadi pada komposisi 0,20% dan 0,30% nano SiC

diakibatkan oleh peningkatan porositas. Porositas yang terbentuk akan menurunkan

kemampuan partikel penguat untuk menghalangi pergerakan dislokasi sehingga

menurunkan kekerasan dari material komposit.

5.3 Pengujian Impak

Hasil pengujian impak pada sampel komposit Al 6061/SiC dengan lima variasi fraksi

volum partikel penguat nano SiC diberikan pada Grafik 3, menunjukkan bahwa harga

impak tertinggi diperoleh pada komposisi 0,20% volum fraksi nano SiC. Penambahan

partikel penguat kedalam matriks logam akan menurunkan harga impak dari material

tersebut. Namun penambahan partikel penguat berukuran nano akan meningkatkan

kekuatan material namun tetap dapat mempertahankan keuletannya (Mazahery and

Shabani 2012). Hal ini dikarenakan pada komposit berpenguat partikel berukuran nano,

fraksi volum partikel penguat yang digunakan tidak sebanyak partikel berukuran mikro,

namun jumlah partikel yang tersebar dimatriks lebih banyak dibandingkan dengan

partikel berukuran mikro, hal ini membuat dislokasi tetap bisa bergerak karena ukuran

partikel penguat yang sangat kecil, namun pergerakannya tetap terhalang oleh banyaknya

partikel penguat nano yang tersebar dimatriks logam. (Casati and Vedani 2014)

5.4 Pengujian Porositas dan Densitas

Grafik 4 menunjukkan bahwa densitas aktual dari komposit berada dibawah densitas

teoritisnya, hal ini menjelaskan adanya porositas yang terbentuk didalam komposit.

Porositas komposit mengalami penurunan pada fraksi volum partikel penguat sebesar

0,05% hingga 0,15%, kemudian jumlah porositas naik secara signifikan pada fraksi

volum partikel penguat diatas 0,15%.


14

Jumlah porositas yang terbentuk sangat dipengaruhi oleh fraksi volum partikel

penguat serta proses pengecoran (Sajjadi, Ezatpour, and Torabi Parizi 2012). Gas yang

terperangkap diantara partikel akan masuk kedalam lelehan logam yang kemudian akan

mengakibatkan terbentuknya porositas. Proses deggasing dan pengadukan yang kurang

efektif serta proses penuangan yang kurang tepat dapat meningkatkan pembentukan

porositas dari komposit. (Valdes et al. 2006)

Peningkatan porositas yang signifikan pada komposit dengan fraksi volum partikel

penguat diatas 0,15% menjelaskan penurunan sifat mekanis komposit pada komposisi

tersebut. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Viktor Malau et al., porositas pada

komposit Al-SiC dapat menurunkan kekuatan mekanisnya. (Sadi, Wildan, and Suyitno

n.d.)

5.5 Pengamatan Mikrostruktur

Berdasarkan hasil mikrostruktur pada Gambar 1, terlihat bahwa porositas pada

mikrostruktur komposit Al6061/SiC dengan fraksi volum partikel penguat 0,20% dan

0,30% berukuran besar dan terdistribusi secara merata. Sementara pada komposit dengan

volum fraksi partikel penguat 0,05%, 0,10%, dan 0,15% porositas berukuran kecil

sehingga akumulasi presentase porositasnya rendah. Hal ini dapat menjelaskan

penurunan sifat mekanis yang terjadi pada komposit dengan volum fraksi partikel

penguat diatas 0,15%. Selain porositas, terlihat matriks Al dan fasa Mg2Si akibat

penambahan 10% Mg (Jing Qingxiu, Zhang Caixia, and Huang Xiaodong n.d.). Fasa

Mg2Si yang tersebar di matriks Al terdiri dari Mg2Si primer yang berbentuk tak beraturan

dan Mg2Si biner (Al+Mg2Si) yang berbentuk chinese script (lamellar) (Jing Qingxiu,

Zhang Caixia, and Huang Xiaodong n.d.). Fasa Mg2Si terner (Al+ Mg2Si+Si) tidak

terbentuk karena kandungan Si pada paduan Al 6061 hanya 0.8%, sementara kandungan

magnesiumnya tinggi. Hal ini menyebabkan seluruh Si akan bereaksi dengan magnesium

dan tidak menyisakan Si bebas didalam matriks. Fasa Mg2Si merupakan fasa

intermetallic dengan sifat mekanis yang tinggi. Fasa Mg2Si memiliki densitas rendah

(1,90 g/cm3 ), temperatur leleh yang tinggi (1087 °C), kekerasan tinggi (4,5×109 N/m2 ),

serta modulus elastisitas yang tinggi (120 GPa), sehingga fasa Mg2Si yang terdistribusi

dengan baik diseluruh matriks akan meningkatkan sifat mekanis komposit secara

signifikan. (Geng et al. 2010)


15

5.6 Pengamatan Fraktografi

Pada gambar 2, panah berwarna merah menunjukkan dimple, sementara panah

berwarna biru menunjukkan microcrack. Pembentukan dimple disebabkan oleh

penggabungan void-void pada saat pembebanan. Semakin tinggi regangan yang dialami

material, maka void-void tersebut bergabung karena adanya mekanisme necking internal

yang menghasilkan dimple yang merupakan karakteristik dari perpatahan ulet (Farahany

et al. 2016). Sementara keberadaan mikro crack pada permukaan patahan yang

ditunjukkan oleh Gambar 4.11 (ditandai oleh A) mengindikasikan mode perpatahan

getas. Hal ini dikarenakan adanya fasa getas Mg2Si didalam material komposit. Fasa

Mg2Si dalam bentuk chinese script memiliki ujung fasa yang tajam sehingga dapat

tegangan dapat terkonsetrasi didaerah tersebut dan menjadi inisiasi mikro crack.

(Farahany et al. 2016)

Keberadaan dua mode perpatahan dalam permukaan patahan material komposit

Al6061/SiC tersebut mengindikasikan adanya gabungan antara sifat ulet dan getas dalam

komposit Al6061/SiC, dengan dominasi sifat getas yang terlihat dari sedikitnya dimple

yang terbentuk.

5.7 Hasil Uji SEM dan EDS

Sesuai yang terlihat pada Gambar 4a dan 4b, Titik (a) menunjukkan porositas karena

pada saat dilakukan pengujian pada titik yang terlihat seperti lubang, hanya didapat unsur

Al dan Mg yang merupakan matriks komposit Al6061/SiC. Sementara titik (b) dan (c)

berturut-turut menunjukkan Mg2Si primer yang berbentuk tak beraturan dan Mg2Si biner

yang berbentuk chinese script. Terlihat porositas dalam jumlah sedikit dan berukuran

kecil, serta distribusi partikel Mg2Si yang merata pada struktur mikro komposit

Al6061/SiC, sehingga menghasilkan sifat mekanis yang tinggi.

5.8 Hasil Uji TEM/EDS

Hasil pengamatan interface pada komposit Al6061/SiC dengan EDS spotting

ditunjukkan pada Gambar 5, menunjukkan bahwa terbentuk fasa Mg2AlO4 sebagai fasa

antarmuka. Hal ini mengindikasikan sudah terjadi pembasahanyang baik antara matriks

dan partikel nano SiC. Sementara pada hasil pemetaan unsur TEM/EDS yang

ditunjukkan oleh Gambar 6, terlihat distribusi partikel nano SiC didalam matriks.

Terdapat partikel yang beraglomerasi, namun secara keseluruhan partikel sudah


16

terdistribusi secara individual dengan baik. Pendistribusian partikel penguat yang baik

serta terbentuknya fasa antarmuka pada komposit Al6061/SiC menghasilkan material

komposit dengan kekuatan mekanis yang tinggi.

6 Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan mengenai pembuatan komposit

bermatriks paduan Aluminium dengan variasi penambahan nano partikel SiC sebanyak

0,05%, 0,10%, 0,15%, 0,20% dan 0,30% fraksi volume menggunakan metoda

pengecoran aduk, didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

1. Penambahan partikel nano SiC dapat meningkatkan kekuatan mekanis dari paduan

Al 6061 dengan tetap menjaga sifat keuletan

2. Kekuatan mekanis optimum dicapai pada penambahan 0,15% Vf nano SiC,

dengan kekuatan tarik tertinggi sebesar 263,43 MPa, elongasi tertinggi dengan

presentase sebesar 7,67%, dan kekerasan tertinggi sebesar 56,5 HRB. Sementara

harga impak tertinggi dicapai pada 0.,20% Vf nano SiC sebesar 0,20% dengan

nilai 0,0563 J/mm2

3. Penambahan partikel nano SiC diatas 0,15% fraksi volum penguat meningkatkan

porositas dalam komposit sehingga menyebabkan penurunan kekuatan mekanis

4. Hasil dari pengamatan metalografi menunjukkan terbentuknya 2 jenis fasa Mg2Si,

yaitu fasa Mg2Si primer dan Mg2Si biner (Al + Mg2Si) berbentuk chinese script

5. Hasil dari pengujian fraktografi menunjukkan adanya kombinasi sifat getas dan

ulet pada material, dengan dominasi sifat getas

6. Peningkatan sifat mekanis pada komposit Al6061/SiC disebabkan karena

kehadiran fasa Mg2Si, distribusi partikel nano SiC yang merata, dan pembasahan

yang baik oleh senyawa antarmuka MgAl2O4

7. Saran

1. Mengukur temperatur cetakan saat keluar dari pre-heat supaya tidak terjadi

misrun/coldshut pada hasil coran.

2. Memperpendek jalur antara pre-heat furnace dan melting furnace agar partikel SiC

yang telah di pre-heat tidak mengalami penurunan temperatur yang signifikan

sehingga pembasahan dapat terjadi dengan baik.


17

7 Daftar Pustaka Ahmad, S. N. 2005 The Effects of Porosity on Mechanical Properties of Cast Discontinuous Reinforced Metal-Matrix Composite. Journal of Composite Materials 39(5): 451–466. Banerjee, Rajat, and Indranil Manna 2013 Ceramic Nanocomposites. http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&scope=site&db=nlebk&db=nlabk&AN=671047, accessed May 18, 2016. Bodunrin, Michael Oluwatosin, Kenneth Kanayo Alaneme, and Lesley Heath Chown 2015 Aluminium Matrix Hybrid Composites: A Review of Reinforcement Philosophies; Mechanical, Corrosion and Tribological Characteristics. Journal of Materials Research and Technology 4(4): 434–445. Casati, Riccardo, and Maurizio Vedani 2014 Metal Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles—A Review. Metals 4(1): 65–83. Dwi Rahmalina, Bondan T.Sofyan, Bambang Suharno, and Eddy S.Siradj 2012 Pengaruh Fraksi Volum Penguat Silikon Karbida Terhadap Karakteristik Balistik Komposit Matriks Aluminium. M.P.I 6: 51–56. Fan, Jiyang, and Paul K Chu 2014 Silicon Carbide Nanostructures: Fabrication, Structure, and Properties. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-08726-9, accessed December 19, 2015. Farahany, Saeed, Hamidreza Ghandvar, Nur Azmah Nordin, Ali Ourdjini, and Mohd Hasbullah Idris 2016 Effect of Primary and Eutectic Mg2Si Crystal Modifications on the Mechanical Properties and Sliding Wear Behaviour of an Al–20Mg2Si–2Cu–xBi Composite. Journal of Materials Science & Technology. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1005030216000190, accessed May 29, 2016. Geng, Lin, Hong-wei Zhang, Hao-ze Li, Li-na Guan, and Lu-jun Huang 2010 Effects of Mg Content on Microstructure and Mechanical Properties of SiCp/Al-Mg Composites Fabricated by Semi-Solid Stirring Technique. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 20(10): 1851–1855. Jing Qingxiu, Zhang Caixia, and Huang Xiaodong N.d. Study on in-Situ Mg2Si/Al-Si Composites with Different Compositions. Kaufman, J. G., and Elwin L. Rooy 2004 Aluminum Alloy Castings: Properties, Processes, and Applications. Materials Park, OH: ASM International. Mazahery, Ali, and Mohsen Ostad Shabani 2012 Characterization of Cast A356 Alloy Reinforced with Nano SiC Composites. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 22(2): 275–280.


18

Moses, J. Jebeen, I. Dinaharan, and S. Joseph Sekhar 2014 Characterization of Silicon Carbide Particulate Reinforced AA6061 Aluminum Alloy Composites Produced via Stir Casting. Procedia Materials Science 5: 106–112. Muley, Aniruddha V., S. Aravindan, and I.P. Singh 2015 Nano and Hybrid Aluminum Based Metal Matrix Composites: An Overview. Manufacturing Review 2: 15. Rahman, Md. Habibur, and H. M. Mamun Al Rashed 2014 Characterization of Silicon Carbide Reinforced Aluminum Matrix Composites. Procedia Engineering 90: 103–109. Sadi, Viktor Malau, M.Waziz Wildan, and Suyitno N.d. Analisis Pengaruh Kandungan SiC, Temperatur Cairan, Kecepatan Putar Dan Durasi Waktu Pengadukan Pada Kekuatan Tarik Komposit AL-SIC. Sajjadi, S.A., H.R. Ezatpour, and M. Torabi Parizi 2012 Comparison of Microstructure and Mechanical Properties of A356 Aluminum alloy/Al2O3 Composites Fabricated by Stir and Compo-Casting Processes. Materials & Design 34: 106–111. Sanders, Robert E. 2001 Technology Innovation in Aluminum Products. JOM 53(2): 21–25. Surappa, M. K. 2003 Aluminium Matrix Composites: Challenges and Opportunities. Sadhana 28(1–2): 319–334. Syahrial, Anne Zulfia N.d. Composite Interface. 2015. Valdes, R., A. Freulon, J.-B. Deschamps, Ma Qian, and Jacques Lacaze 2006 Phase Equilibria and Solidification of Mg-Rich Al-Mg-Si Alloys. Materials Science Forum 508: 621–628.


PENGARUH PENAMBAHAN %Vf PARTIKEL NANO SiC TERHADAP …

Documents

Transcript of PENGARUH PENAMBAHAN %Vf PARTIKEL NANO SiC TERHADAP …