54 Forum Tcknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

Pengaruh Kandungan Grafit Terhadap Sifat Fisis Dan MekanisPada Komposit Al-Si/Grafit

Lilik Dwi Setyana dan M. Waziz Wildan

JurusanTeknikMesin,FakultasTeknik,UGMJI.GrafikaNo 2A,Yogyakarta

Abstract

This research aims to investigate the effect of graphite contents on physical and mechanical

properties of AI/graphite composites. The composites were produced using powder metallurgy(PIM) method. The materials used in this research were AI-Si alloy powder as the matrix and

graphite powder as the reinforcement. The AI-Si alloy powder with irregular shape and particle

size < 149 ,um was produced by mechanical grinding method. Graphite powder particle is fine

powder. The various contents of graphite were 0,2.5, S, 7.5 and 10% weight. Each composition

was uniaxially compacted with a pressure of 500 MPa to produce green bodies. The green bodieswere then sintered at 550°C for 5 hours in graphite environment.

Density of specimens was measured using Archimedes method. Optical microscope and SEM

were used to observe the microstructures. EDX and XRD were used to analyze the elements or

phase in the specimens. Mechanical properties of the specimens including Brinell hardness,

modulus of rupture, wear resistance and radial crush strength of bushing components were alsotested.

The results of the research show that relative density, Brinell hardness, modulus of

rupture and wear resistance of the composites increase with increasing graphite content up to 5%weight. The maximum value of relative density of90%, Brinell hardness of 42.15 BRN and wear

factor of O.06 mm3/Nm were achieved on the composites containing S% weight of graphite. On

the other hand, the MOR and radial crush strength of the composites decrease with increasing

graphite content, the maximum of MOR of 42.02 MPa and radial crush strength of 10. 5 MPawere obtained on AI-Si alloy without graphite reinforcement.

Keywords: AI-Si/graphite composites, powder metallurgy, graphite

1. Pendahuluan

Aluminium merupakan material yang banyakdigunakan pada berbagai komponen mesinterutama dalam bentuk paduan karena berbagaikeunggulan sifatnya dibanding material lain.Beberapa keunggulan aluminium adalah tahankorosi, ringan, konduktifitas listrik baik, konduk-tifitas panas baik dan sifat dekoratif. Salah satuupaya untuk mengatasi kelemahan tersebut danmeningkatkan sifat-sifat lainnya dapat dibuatkomposit matrik aluminium.

Paduan aluminium sebagai matrik dan partikelgrafit sebagai penguat, merupakan komposit logam

ISSN : 0216 -7565

yang dapat dibuat dengan metode metalurgi serbuk.Keuntungan metalurgi serbuk adalah pembuatankomponen relatif lebih murah, produk yangdihasilkan langsung dapat digunakan dengansedikit proses permesinan dan dapat diproduksidalam skala keeil maupun massal.

Chu dkk (200I) melakukan penelitiankornposit eampuran serbuk paduan A1-6061dengan serbuk grafit, yang dikompaksi panas (hotpressing), kemudian dilakukan ekstrusi. Hasilpenelitian menunjukkan partikel grafit yang halusterdistribusi merata dalam matrik. Grafit bereaksi

in-situ dengan Al matrik membentuk dispersi halus

PengaruhKandungan Grafit - Lilik & Wildan 55

partikel AI4C3selama solution treatment. FaseAI4C3memberikan efek penguatan terhadap matrikAI.

Silvain dkk (2003) meneliti kompositCu/C/AI, pada interface AVC terjadi reaksi antaraAl dan serat C membentuk Al4C3 yang mereduksiukuran serat C selama proses perlakuan panas.AI4C3sifatnya keras dan rapuh sehingga hamsdihindari. Untuk menghidari terbentuknya reaksipada interfase AVC, serat karbon dilapisi oleh Cusecaraelektrokimia. Hasil penelitian menunjukkanpadapemanasan suhu 600°C selama 96 jam lapisanCu dapat mencegah terbentuknya A4C3.

Arik dan Bagci (2003) meneliti kompositmatrik aluminium powder yang diperkuat dengan3% berat grafit yang dikompaksi dengan variasitekanan (400, 500, 600 dan 700 MPa), kemudiandisinter dengan variasi suhu (500, 600, 650, dan700°C) selama 5 jam dalam lingkungan gas argon.Hasil analisa XRD menunjukkan adanya fase AI,Al203 dan Al4C3pada spesimen hasil sinter. Hasilpengujian kekerasan dan transverse rupturestrength meningkat dengan bertambahnya suhusinter dan tekanan kompaksi.

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahuiseberapa besar pengaruh penambahan grafit padapembentukan komposit logam AI-Si/grafit terhadapsifat fisis dan mekanisnya yang dibuat denganproses metalurgi serbuk dan disinter secarapressureless sintering.

2. Fundamental

Komposit adalah gabungan material yangterdiri dari dua atau lebih komponen materialpenyusun, baik secara mikro ataupun secara makroyang berbeda bentuk dan komposisi kimianya.Dengan penggabungan tersebut akan diperolehmaterial bam yang memiliki sifat fisis dan mekanisyang berbeda penyusunnya.

Berat jenis aktual komposit dapat ditentukandengan hukum Archimedes yaitu dengan mengukurberat spesimen di udara dan berat di dalam fluida(Barsoum,1997):

Wudara PjluidaPc = (Wudara - Wjluida)

(I)

keterangan :

Wudara = berat spesimen di udara (gr)Pc = densitas komposit (gr/cm3)Wf1uida= berat spesimen di air (gr)

Pnuida = densitas fluida (gr/cm3)

Tegangan maksimum terhadap beban bendingyang diuji dengan four point bending dinyatakansebagai modulus of rupture «JMOR),yang ditentukandari persamaan sebagai berikut (Green, 1998):

(2)

keterangan :Frail = bebanbendingmaksimum(kg)81 =jarak antarbeban(mm)82 =jarak antar tumpuan (mm)(JMOR = modulus of rupture (kg/mm2)W = tebal spesimen (mm)B = lebar spesimen (nun)

3. Metodologi

Serbuk aluminium yang digunakan diperolehdengan cara pengikiran, kemudian dilakukanproses sieving sehingga diperoleh distribusi serbukdan diambil serbuk dengan ukuran < 149 !lm untukpenelitian. Serbuk ditambah grafit dengan variasi 0,2.5, 5, 7.5 dan 10% berat. Masing-masingcampuran dikompaksi 500 MPa kemudian disinterdengan suhu 550°C dalam lingkungan grafit selama5jam.

Pengujian meliputi densitas, kekerasan,bending, XRD dan pengamatan struktur mikrodengan mikroskop optik maupun SEM.

4. Hasil dan Pembahasan

Data Hasil Pengujian komposisi SerbukAluminium

Hasil pengujian komposisi paduan aluminiumdapat dilihat pada Tabell.

ISSN: 0216 - 7565

56 Forum Tcknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

Tabell. Data hasil uji komposisi paduan AI-Si

Distribusi dan bentuk serbuk

Aluminium serbuk yang telah dibuat denganpengikiran dicari distribusi ukuran dengan metodesieving. Distribusi serbuk merupakan tipe Gaussianyaitu serbuk terdistribusi secara nonnal.Berdasarkan kriteria tersebut, dipilih serbuk denganukuran < 149 Ilm. Sedangjumlah kumulatif adalah25% berat, serbuk ini yang dipilih untuk digunakansebagai bahan penelitian.

Pengamatan struktur mikro

(a) 0% berat grafit

(b) 2,5% berat grafit

ISSN : 0216 -7565

(c) 5% berat grafit

(d) 7,5% berat grafit

(e) 10% berat grafit

Gambar 1. Foto struktur mikro koinposit AI-gratit

Bahan awalserbuk

Bahan awalserbuk

No Unsur hasil cor No Unsur hasil cor% berat % berat % berat % berat

1 AI 86.450 85.670 7 Cr 0.0372 0.02922 Si 9.4300 9.3200 8 Ni 0.05 I6 0.05643 Fe 1.8859 2.2077 9 Pb O.I888 0.18444 Cu 0,6362 0.7525 10 Sn 0.0197 0.01975 Mn 0.1251 0.1086 11 Na 0.0154 0.00116 M 0.0117 0.0131 12 Ca 0.0087 0.0017

PengaruhKandungan Grafit - Lilik & Wildan 57

Foto mikro spesimen dengan variasipenambahan grafit paduan AI-9%Si ditunjukkanpada Gambar 1, terlihat bahwa kandungan grafitterdistribusimerata pada masing-masing spesimen.Pada spesimen dengan kandungan grafit diatas 5%berat terlihat bahwa beberapa partikel grafitbergabung menjadi satu dan membentuk partikelyang agak besar.

Gambar 2(a) menunjukkan foto hasil SEMuntukspesimen AI-Si tanpa penambahan grafit danGambar 2(b) menunjukkan foto SEM spesimenAI-Si/5% grafit. Oari gambar tersebut terlihatfasa-fasa yang terdapat dalam matrik logam AI.Pada Gambar 2(a) terlihat batas antar partikel Alsebagiantelah tersinter sempuma dan sebagian lagimasih terlihat ada batas antar partikei.

Proses sinter masih dalam tahapanintermediate dimana telah terjadi pertumbuhan

batas butir dan menyusutnya porositas. Sedangkanpada spesimen dengan penguat (Gambar 2(b))terlihat serbuk grafit mengisi tempat-tempatporositas yang terjadi pada interface. Hal ini sangatmenguntungkan karena porositas menjadiberkurang sehingga densitas relatif kompositmenjadi lebih besar.

Analisa rasa

Untuk mengamati interface antar matrik danpenguat serta analisis unsur dari spesimen strukturdifoto menggunakan SEM hingga perbesaran4000X yang dapat dilihat Gambar 3 dan dianalisisdengan EOX. Hasil analisis dengan menggunakanEOX (Energy Dispersive X-Ray Analysis) padabagian yang diberi tanda A, B dan C sepertiditampilkan pada Tabe 12.

(a) paduan Al tanpa grafit (b) komposit AV5%grafit

Gambar 2. Foto SEM struktur mikro komposit AVgrafitpada tekanan kompaksi 500 MPa suhu sinter 550°C selama5 jam

Tabel2. HasHanalisa EOX dari Gambar 3

ISSN : 0216 - 7565

A B CUnsur % berat Unsur % berat Unsur % berat

C 0,90 C 0,78 C 67,31AI 64,81 0 1,11 0 26,86Si 14,90 Al 91,26 Al 4,41

Mn 0,34 Si 6,85 Si 1,42Fe 19,06

58 Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

Gambar 3. Foto SEM interface antara matrik dan grafit pada spesimen 5% berat

o 10 20 60

Gambar 4. HasHpengujian XRD pada spesimen 5% berat grafit.

Untuk mengetahui adanya fasa-fasa yangterdapat dalam spesimen dilakukan uji XRD(X-Ray Diffraction). Hasil pengujian XRDditunjukkan pada Gambar 4 dan menunjukkanadanya fase AI, A1203, C dan AI4C3(Tabe13).

Hasil ini mirip dengan penelitian yangdilaporkan oleh Arik dan Bagci (2003). Padapenelitian Arik dan Bagci (2003) menjelaskanbahwa hasil pengujian XRD pada sudut 2 theta =40,264° dengan dspacingd(A) = 2,228 merupakanfase A14C3,yang merupakan presipitasi hasil reaksiin-situ antara Al dan C selama proses sinter padasuhu 650°C. Arik dan Chengiz (2003) menyatakanbahwa pembentukan AI4C3dipengaruhi suhu sinter.

ISSN: 0216 -7565

HasH pengujian densitas

Penambahan grafit hingga 5% berat padakomposit AI/grafit menaikkan densitas relatifnya,sedangkan penambahan hingga 7,5 dan 10% beratjustru menurunkan densitasnya seperti terlihat padaGambar 5, hal tersebut disebabkan pada saatkompaksi, partikel grafit dengan ukuran kecil dapatmengisi celah antar partikel AIdan juga dapatberfungsi sebagai pelumas, namun penambahanpartikel grafit yang berlebihan akan menurunkandensitas karena berat jenis grafit yang lebih kecildari aluminium. Persentase porositas terendah padaspesimen hasil penelitian ini adalah 5%.

. SII)

-AlA.AI

81 . AltCJ. C.Si ,

, 7

I .,

4· iI 10 11

, II. '.l ," I. r · j I· .iL.ull-1Ll__L l_L,-\,--

PengaruhKandungan Grafit - Lilik & Wildan 59

95

~90....""(\I

Qj

a:: 85r/)l!!'0~ 80o

~j

---1

I1 " . ;75

o 2,5 5 7,5 10 12,5% Berat grafit__

Gambar 5. Grafik pengaruh penambahan grafit terha-dap densitas relatif spesimen yang disinterpada T 550°C.

Hasil pengujian kekerasan

Data hasil pengujian kekerasan ditunjukkanpada Gambar 6. Pengaruh penambahan graftt akanmeningkatkan kekerasan, kekerasan tertinggiadalah42,15 HBN pada penambahan graftt sebesar5% berat. Pada komposit dengan kandungan grafttdi atas 5% berat kekerasannya cenderung menurun,karena graftt memiliki kekerasan yang rendah (2padaskala Mohs) (WOD, 2005).

Hasil penelitian menunjukkan bahwapenambahan graftt meningkatkan kekerasan danmencapai maksimum pada 5% berat, hal inimenunjukkan adanya partikel keras yang terbentukselama proses sinter. Dari pengujian EDX danXRD ditemukan adanya senyawa A14C3,senyawatersebut terbentuk akibat reaksi antara A I dan C

selama pemanasan (sinter). Hal tersebut jugadikemukakan oleh Arik dan Bagci (2003) serta Chudkk (200 I) selama proses sinter terjadi reaksi in--situ antara A I dan C yang terjadi pada interfaceantar Al dan C.

45

Z:J: 40e.cIX 35I!!CD

~ 30:Ie

25

o 2,5 5 7,5 10 12,5

% Berst gram

Gambar 6. Grafik pengaruh penambahan grafitterhadap kekerasan

50 .."..

oo 2,5 5 7,5 10

% Beret grant

12,5

Gambar 7. Grafik pengaruh penambahan grafitterhadap MOR.

Hasil pengujian bending

Penambahan partikel graftt menurunkankekuatan bending (Gambar 7), hal ini disebabkangraftt dengan ukuran sangat kecil (fine powder)menyelubungi partikel aluminium sehingga prosessinter tidak berlangsung dengan baik karena suhusinter graftt yang lebih tinggi. Penurunan kekuatanbisa disebabkan karena jumlah pori yangbertambah seperti terlihat pada Gambar l. Porimerupakan sumber awal kerusakan atau akan

menyebabkan penurunan kekuatan. Adanya grafttyang mengumpul dan porositas yang terdapat padaspesimen merupakan awal terjadinya perpatahan.

Hasil pengujian keausan

Gambar 8 menunjukkan graftk faktor keausanyang diuji dengan metode pin on abrasive disc.Faktor keausan diukur dengan menghitung beratspesimen yang hilang akibat abrasi oleh kertasamplas grade 1000 pada piringan yang berputar(670 rpm). Jarak abrasi yang diternpuh 100 m,dengan beban 1,91 N. Faktor keausan terendahterjadi pada komposit AI-Si/5% berat graftt. Haltersebut sesuai dengan hasil pengujian kekerasan,dimana kekerasan tertinggi pada kompositAI-Si/5% berat graftt. Penambahan grafttcenderung menurunkan laju keausan, hal ini karenapengaruh dari sifat self lubrication graftt. MenurutHatching (2000) graftt memiliki sifat selflubrication yang merupakan pelumas kering.

ISSN : 0216 - 7565

60 Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

E"0,12"'~ ° 1~ 'cO,08

~0,06'co~ 0,04

~0,02cou. °° 2,5 5 7.5 10 12,5

Berat grafit (%)

Gambar 8. Grafik pengaruh kandungan grafit terhadapfaktor keausan, dengan metode pin onabrasive disc

'co'14- ... -....D.;;;.12

~10c!!! 8.111

1ii 6

5 4

~ 2coa:: 0

o 2,5 5 7,5% be rat gnJfit

10 12.

Gambar 9 Grafik pengaruh kandungan grafit terhadaptegangan radial bushing.

Pengujian radial crush strength bushing

Bushing dibuat pada komposit dengan 0; 2,5;5; 7,5 dan 10% berat grafit dengan tekanankompaksi 500 MPa. Hasil pengujian radial crushstrength pada bushing ditampilkan pada Gambar 9.Radial crush strength tertinggi sebesar 10,7 MPadiperoleh pada spesimen tanpa grafit. Radial crushstrength terendah sebesar 0,9 MPa terjadi padaspesimen dengan kandungan grafit 5% berat.

5. Kesimpulan

I. Penambahan partikel grafit hingga 5% beratmeningkatkan densitas relatif kompositAI-Si/grafit.

2. Kekerasan optimal diperoleh pada kompositAI-Si/grafitdengan kandungan 5% berat gratityaitu sebesar 42,15 BHN.

ISSN: 0216 -7565

3. Kekuatan bending (madulus of rupture)komposit AI-Si/grafit menurun denganhertambahnya kandungan grafit.

4. Faktor keausan komposit AI-Si/grafitcenderung menurun dengan bertambahnyakandungan grafit hingga 5% berat.

5. Radial crush strength kotnposit paduanAI-Si/grafit menurun dengan bertambahnyakandungan grafit.

Daftar Pustaka

Arik, H dan Bagci, C., 2003, "Investigation ofInfluence of Pressing Pressure and SinteringTemperature on the Mechanical Properties ofAll A14C3 Composites Materials", TurkishJournal Eng. Env. Sci, Tubitak, 27 pp 53-58.

Barsoum, M. W., 1997,Fundamentals of Ceramics,Mc Graw-Hill Book Co New York.

Chu, H., Kuo, S. L., and Jien, W.Y., (2001).,''Damping Behavior of in-situ Algraphite,AI4C3Composites Produced by ReciprocatingExtrusion" Department of Materials Scienceand Engineering, National Tsing HuaUniversity, Hsinchu, Taiwan, Republic ofChina., Journal of Material Research, No.:JAI05-025 MRS USA.

German, R. M., 1984, Powder Metallurgy Science,Metal Powder Industries Federation,Princenton New Jersey.

Green, D. J., 1998, An Introduction to theMechanical Properties of Ceramics,Cambridge University Press.

Hatching, L, 2000, Tribology Friction Wear andLubrication, Arnold publisher, London.

Silvain, J.F., Proultb A, Lahayea M, Douinc J,Microstructure and Chemical Analysis ofCICu/AI Interfacial Zones. Institut de Chimieet de la Matie're Condense e de Bordeaux,France. Elsevier Journal ofComposites:Part A34 (2003) 1143-1149 www.elsevier.com/locate/compositesa.

WOD, 2005, Graphite, INSEAD.