PENGARUH VOLUME FRAKSI 5%, 7,5% DAN 10% ALUMINA (Al2O3) DENGAN UKURAN PARTIKEL 140, 170 DAN 200 MESH TERHADAP SIFAT MEKANIK MATERIAL

KOMPOSIT MATRIKs Al-4.5%Cu-4%Mg

Gugun Gumilar Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin

Universitas Gunadarma Depok

Abstraksi

Telah dilakukan proses pembuatan komposit matrik logam yaitu Al-4,5%Cu-4%Mg

dengan penguat Al2O3 secara bervariasi yaitu : 5%, 7,5% dan 10% volume fraksi,

pembuatan komposit dilakukan dengan metoda stircasting dengan menggunakan

pengaduk manual dengan batang grafit setelah logam paduan tersebut mencair hingga

menjadi bubur (molten), dan dilanjutkan dengan proses penempaan yang selanjutnya

akan dilakukan pengujian. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian tarik,

pengujian kekerasan, pengujian abrasif, dan pengujian metalografi.

Hasil pengujian pada komposit matrik logam paduan Al-4.5%Cu-4%Mg dengan

penguat Al2O3 yang bervariasi diperoleh nilai tegangan tarik maksimum sebesar

187,1 N/mm2 dan tegangan tarik minimum sebesar 87,6 N/mm2, kekerasan

maksimum sebesar 123,8 HB dan untuk nilai kekerasan minimum sebesar 83,5 HB,

kehilangan berat maksimum sebesar 0,5 gr dan kehilangan berat minimum sebesar

0,2 gr.

1. Pendahuluan

Komposit Matrik Logam (KML)

adalah material rekayasa yang dibuat

dari penggabungan dua atau lebih

material konvensional dan mempunyai

sifat-sifat yang lebih unggul bila

dibandingkan dengan material

pembentuknya. Keunggulan dari

komposit ini antara lain mempunyai

kombinasi yang bagus dari ratio

stiffness/berat dan kekuatan/berat pada

temperatur kamar dan temperatur

tinggi. Selain itu juga mempunyai

modulus spesifik, kekuatan lelah

(fatigue strength), tahan aus (wear

resistance), ketahanan abrasi,

ketahanan mulur (anti creep),

koefisien muai yang rendah dan

konduktifitas panas yang tinggi. Dari

keunggulan sifat-sifat tersebut, KML

merupakan material subtitusi dimana

salah satunya cocok digunakan pada

industri otomotif, karena dapat

meningkatkan unjuk kerja,

penghematan energi, menurunkan

emisi dari kendaraan bermotor, dapat

didaur ulang dan lain-lain.

Dengan semakin meningkatnya

jumlah kendaraan bermotor dari

berbagai merk, maka semakin

meningkat pula kebutuhan akan bahan

komponen otomotif yang akan

mempunyai sifat unggul dibandingkan

dengan bahan konvensional,

diantaranya yang berbahan KML

dipasaran. [1]

2. Proses Pembuatan Matriks

a. Perhitungan material balance untuk

paduan matriks (Al-4.5%Cu-4%Mg)

Sebelum dilakukan proses pembuatan

matriks dilakukan perhitungan

material balance terlebih dahulu untuk

mendapatkan hasil yang sesuai dengan

target yang diinginkan, seperti yang

ditunjukkan pada Tabel dibawah ini.

Tabel Persentase Campuran Paduan Matriks Al-Cu-Mg

no

W total Matriks Al-4.5%Cu-4%Mg

(gr) Cu4.5%

(gr) Al95.5%

(gr) Mg4%

(gr) 1 448,77 20,19 428,58 17.95 2 445,77 20,06 425,71 17.83 3 444,66 20,01 424,65 17.78 4 449,55 20,23 429,32 17.98 5 451,33 20,31 432,02 18.05 6 451,22 20,20 430,91 18.04 7 457,33 20,58 436,75 18.29 8 445,44 20,05 425,39 17.81 9 448,55 20,18 428,37 17.94 10 455,22 20,48 434,73 18.20

b. Pemotongan dan penimbangan

Setelah dilakukan perhitungan material

balance, bahan yang telah disediakan

seperti Al, Cu dan Mg di potong dan di

timbang sesuai dengan data yang

diperoleh selanjutnya dilakukan proses

peleburan dan pemaduan. untuk

membuat matriks paduan.

c. Proses peleburan dan pemaduan

Pada proses ini bahan-bahan yang

telah di potong kemudian dimasukan

kedalam crucible yang selanjutnya

dilakukan peleburan di dalam tungku

muffle selama ±2 jam dengan suhu

700oC sampai menjadi cair. Setelah

logam tersebut mencair kemudian

dituang secara manual ke dalam

cetakan dengan menggunakan gayung

yang tahan panas ke dalam cetakan.

Proses penuangan ini dilakukan secara

kontinu untuk menghindari

pembekuan matriks dari paduan Al-

Cu-Mg di dalam tungku peleburan,

apabila hasil leburan membeku karena

proses penuangan yang lama maka

paduan Al-Cu-Mg harus dilebur ulang.

d. Analisa komposisi kimia

Setelah as cast dari paduan Al-Cu-

Mg diperoleh, kemudian di potong

dengan ukuran (20 x 20) mm untuk

dilakukan uji komposisi kimia.

Apabila komposisi tidak sesuai dengan

target yang telah ditentukan, maka

dilakukan perhitungan komposisi dan

proses peleburan ulang dengan

menambahkan bahan yang dianggap

kurang sesuai dengan persentase

tersebut. Namun bila hasilnya sesuai

dengan target, maka bisa dilanjutkan

pada proses selanjutnya dalam

pembuatan komposit.

3. Proses Pembuatan KML

Pada proses pembuatan komposit

logam menggunakan metoda

stircasting merupakan proses

pembuatan komposit dengan cara

penuangan yang sebelumnya

mengalami proses pengadukan pada

kondisi penahanan temperatur konstan.

Pada proses pembuatan KML ini

menggunakan Al-Cu-Mg sebagai

matriks paduan serta Al2O3 (Alumina)

sebagai reinforced atau penguat.

Dimana pada proses pembuatan KML

ini adalah untuk mengetahui kekuatan

dari bahan yang telah mengalami

proses pencampuran atau setelah

menjadi KML. Pada proses pembuatan

KML ini ada beberapa tahap yang

dilakukan seperti :

Tahap awal, yaitu pada tahap ini

adalah persiapan bahan baku dan alat,

serta melakukan perhitungan material

balance MMCs seperti ditunjukan

dalam Tabel 3.3 di bawah ini.

Tahap kedua, yaitu pada tahap ini

adalah tahap dimana kita akan

melakukan proses pembuatan

Komposit Matriks Logam (KML).

Pertama kali yang dilakukan adalah

memasukan paduan Al-Cu-Mg yang

telah dipotong-potong dan ditimbang

kedalam crucible beserta Alumina

(Al2O3) yang telah dilakukan proses

pengayakan dan penimbangan terlebih

dahulu. Setelah semua bahan

dimasukan kedalam crucible kemudian

tungku dipanaskan dengan suhu

pemanasan yang digunakan adalah

7000C dengan waktu ± 2jam. Setelah

itu crucible dimasukan kedalam

tungku stirrer untuk dilakukan

peleburan, dan menyiapkan batang

pengaduk yang terbuat dari grafit yang

tahan terhadap suhu tinggi.

Tabel Persentase Campuran Pembuatan MMCs Al-4,5%Cu-4%Mg/Al2O3(P)

Setelah semua persiapan telah

selesai maka kita siap untuk

melakukan proses pembuatan metal

matrix composite (MMCs), yang

pertama dilakukan adalah

memanaskan tungku stirrer hingga

mencapai suhu 700 oC dengan

menutup bagian atasnya dengan glass

wool yang terbuat dari serat kaca agar

oksigen tidak masuk dalam ruangan

crucible dan menahannya selama 2

jam hingga mencair, lalu glass wool

tersebut diangkat dan crucible

dikeluarkan didalam tungku dengan

menggunakan penjepit lalu diaduk

menggunakan batang yang terbuat dari

grafit hingga sampai kondisi bubur

(molten).

Penguat (gr) Gerus/ayak no

W total Matriks Al-4.5%Cu-4%Mg

(gr) 5% 7,5% 10% (Mesh) 1 448,77 - - - - 2 445,77 22.43 140 3 444,66 22.28 170 4 449,55 22.23 200 5 451,33 33.85 140 6 451,22 33.84 170 7 457,33 34.3 200 8 445,44 44.54 140 9 448,55 44.85 170

10 455,22 45.52 200

Tungku listrik yang digunakan untuk melakukan proses peleburan MMCs dengan

waktu ± 2 jam pada temperatur 7000C.

4. Proses Tempa

Setelah Al murni + penguat

alumina (Al 2O3) dirasa telah menyatu

dan telah dilakukan pengadukan

hingga merata sampai menjadi bubur

(molten), kemudian paduan tersebut

dilepas dari dalam crussible lalu

diletakkan di dalam cetakan mesin

tempa dan di tempa.

Mesin Tempa

5. Proses Pengujian

Kekerasan.

Pengujian kekerasan adalah satu dari

sekian banyak pengujian yang dipakai,

karena dapat dilaksanakan pada benda

uji yang kecil tanpa kesukaran

mengenai kesukaran spesifikasi

Alat uji kekerasan Brinell

Menggunakan HB 10

Dimana HB 10 adalah kekutan

penekanan bola baja kedalam sampel.

HB = p

(d)2

HB = 62,5

(2,5)2

= 10

Dimana :

p = Beban penekanan yang

diberikan (Kg)

d = Diameter bola yang

digunakan (mm)

Metalography

Adalah pengujian untuk mengetahui

struktur mikro yang terdapat dalam

logam, dimana struktur logam

merupakan penggabungan dari satu

atau lebih struktur kristal, pada

umumnya logam terdiri dari banyak

kristal.

Dalam logam, pengertian kristal sering

pula disebut sebagai butiran. Batas

pemisah antara dua kristal disebut

batas butir (grain boundry). Dsan juga

untuk mengetahui ikatan yang terjadi

pada logam campuran.

Alat uji metalography

Abrasif

Keausan logam adalah peristiwa

lepasnya material dari suatu

permukaan sehingga terjadi

permukaan dimensi dan massa, yang

dapat mengakibatkan terbatasnya umur

atau daya guna suatu perkakas.

Ketahanan aus akan bertambah akibat

meningkatnya kekerasan. Factor-faktor

yang mempengaruhi terhadap keausan

adalah :

• Basar pembebanan

• Jenis material

• Kekerasan material

• Jenis pelumasan

• Temperatur pengoperasian

Adapun jenis-jenis keausan, antara

lain:

• Keausan adhesi

• Keausan abrasi

• Keausan korosi

• Keausan karena kelelahan

permukaan

Alat uji abrasif

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengujian kekuatan tarik dari material komposit matriks Al-4,5%Cu-4%Mg

dengan penguat alumina (Al2O3) yang memvariasikan volume fraksi dan ukuran

partikel, ditunjukkan pada Tabel di bawah ini.

Data hasil pengujian kekuatan tarik

Kekuatan Tarik Regangan saat patah

Kode Sampel

(N/mm2) (%) A-5 0,12 0,07 B-5 0,16 0,058 C-5 0,08 0,06

A-7,5 0,14 0,048 B7,5 0,15 0,05 C7,5 0,18 0,052 A-10 0,17 0,036 B-10 0,18 0,034 C-10 0,17 0,043

Grafik pengaruh volume fraksi partikel Al2O3 terhadap kekuatan tarik

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

5% 7.50% 10%Volume fraksi, %

Reg

anga

n, %

140 mesh170 mesh200 mesh

Grafik pengaruh volume fraksi partikel Al2O3 terhadap regangan

Hasil pengujian kekerasan dari material komposit matriks Al-4,5%Cu-4%Mg

denganpenguat alumina (Al2O3) yang memvariasikan volume fraksi dan

ukuranpartikel, ditunjukkan pada Tabel di bawah ini.

Data hasil pengujian Kekerasan Brinell

Kode Sampel Kekerasan rata-

rata(HB) SB A-5 83.5 2.8625 B-5 98.4 5.0915 C-5 108.4 3.3698

A-7,5 102.9 3.7571 B7,5 116.4 9.6289 C7,5 116.4 9.84269 A-10 112.8 11.6242 B-10 106.8 3.22697 C-10 123.8 10.5239

Grafik pengaruh volume fraksi partikel Al2O3 terhadap kekerasan

Hasil pengujian abrasif dari material komposit matriks Al-4,5%Cu-4%Mg dengan

penguat partikel alumina (Al2O3) yang memvariasikan fraksi volume dan ukuran

partikel, ditunjukkan pada Tabel di bawah ini.

Data hasil pengujian abrasif

Kode Sampel Kehilangan

Berat Rata-rata (gr)

Ø (mm)

Keausan Abrasif (gr/m)

SB

A-5 0,5 150 0,021 23,562 B-5 0,44 150 0,018 18,891 C-5 0,39 150 0,0165 10,719

A-7,5 0,4 150 0,0169 26.846 B7,5 0,26 150 0,011 18,762 C7,5 0,2 150 0,008 17,892 A-10 0,25 150 0,01 15,245 B-10 0,3 150 0,012 17,864 C-10 0,2 150 0,008 18,825

Grafik pengaruh volume fraksi partikel Al2O3 terhadap kehilangan berat

Hasil pengamatan metalografi Paduan Al-Cu-Mg + Penguat 5% dengan pengerusan

200 mesh.

Struktur mikro paduan Al-Cu-Mg + Al2O3 5% dan pengayakan 200 mesh

dengan pembesaran 200 x

Hasil pengamatan metalografi Paduan Al-Cu-Mg + Penguat 7,5% dengan pengerusan

200 mesh.

Struktur mikro paduan Al-Cu-Mg + Al2O3 7.5% dan pengayakan 200 mesh

dengan pembesaran 200 x

Alumina

Fasa α (Al)

Alumina

Fasa α (Al)

Hasil pengamatan metalografi Paduan Al-Cu-Mg + Penguat 10% dengan pengerusan

200 mesh.

Struktur mikro paduan Al-Cu-Mg + Al2O3 10% dan pengayakan 200 mesh

dengan pembesaran 200 x

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan data hasil pengujian kekerasan, keausan abrasif dan metalografi maka

dapat ditarik kesimpulan bahwa pada pembuatan komposit matrik logam adanya

unsur magnesium (Mg) akan memberikan sifat mampu basah pada penguat Al2O3

sehingga Al2O3 akan lebih banyak terperangkap oleh matrik aluminium, hal ini dapat

meningkatkan kekerasan, ketahanan abrasif dan meningkatkan tegangan tarik pada

komposit matrik logam.

Saran

Kata kunci keberhasilan dalam pembuatan material komposit matriks logam terletak

pada sifat mampu basah (wettability) dari logam matriks dan proses pengadukannya.

Alumina

Fasa α (Al)

DAFTAR PUSTAKA

1. B. Romiyarso, Toni., Komposit Matrik Logam untuk Bahan Mobil, Seminar

Material Metalurgi, Serpong, 2005.

2. Prosiding, Study Kemampuan Basah dan Pengaruh Reaksi Antar Muka Matrik

Logam (Paduan Al) Dengan Material Penguatnya (SIC dan Al2O3) Pada

pembuatan KML.

3. Lawrence H. Van Vlack, Ilmu dan Teknologi Bahan , Terjemahan Sriati Djaprie,

Erlangga, Jakarta, 1985.

4. Hartono A.J., Komposit Metal, Andy offset, Yogyakarta, 1992.

5. Smallman, R.E. dan Bishop, R.J., Metalurgi Fisik Modern & Rekayasa Material,

Terjemahan Bustanul Arifin dan Myrna, Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta,2000.

6. Van Vliet G.L.J Both W, Bahan-Bahan, Terjemahan Haroen, Edisi I, Erlangga,

Jakarta.

7. Laboratorium Teknik Mesin Lanjut, Material Teknik dan Pengecoran Logam,

Pengujian Logam, Universitas Gunadarma, Jakarta, 2008.

8. Niemann, G, Elemen Mesin, Terjemahan Anton Budiman dan Bambang

Priambodo, Edisi Kedua, Erlangga, 1999.

9. Harsono W. dan Toshie O. Teknologi Pengelasan Logam. Terjemahan Harsono

Wiryosumarto, PT. Pradnya Paramita, Jakarta

10. Kustituanto, Bambang., dan Rudy Badrudin, Statistika I, Universitas Gajah Mada,

Jakarta,1994.

11. ASTM, 2000 Annual Book of ASTM Standards Volume 02.02