DASAR TEORI ALUMUNIUM

  1.    Aluminium

Aluminium merupakan logam non-ferrous yang paling banyak digunakan di dunia, dengan pemakaian tahunan sekitar 24 juta tonAluminium dengan densitas 2.7 g/cm3 sekitar sepertiga dari densitas baja (8.83 g/cm3), tembaga (8.93 g/cm3), atau kuningan (8.53 g/cm3), mempunyai sifat yang unik, yaitu: ringan, kuat, dan tahan terhadap korosi pada lingkungan luas termasuk udara, air (termasuk air garam), petrokimia, dan beberapa sistem kimia.  

Pemakaian aluminium dalam dunia industri yang semakin tinggi, menyebabkan pengembangan sifat dan karakteristik aluminium terus menerus ditingkatkan. Aluminium dalam bentuk murni memiliki kekuatan yang rendah dan tidak cukup baik digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan ketahanan deformasi dan patahan, maka dari itu perlu ditambahkan unsur lain untuk meningkatkan kekuatannya. Aluminium dalam bentuk paduan yang sering dikenal dengan istilah aluminium alloy merupakan jenis aluminium yang digunakan cukup besar saat ini. Berdasarkan metode peleburannya, paduan aluminium dikelompokkan menjadi dua kelompok utama yaitu paduan tempa (wrought) dan paduan tuang (casting). Jenis paduan aluminium saat ini sangat banyak dan tidak menutup kemungkinan ditemukannya lagi jenis paduan aluminium baru, oleh karena itu dibuatlah sistem penamaan sesuai dengan komposisi dan karakteristik paduan aluminium tersebut untuk memudahkan pengklasifikasiannya. Salah satu penamaan paduan aluminium adalah dengan standar AA, seperti pada Tabel 2.1.

Pada aluminium tempa, seri 1xxx digunakan untuk aluminium murni. Digit kedua dari seri tersebut menunjukkan komposisi aluminium dengan limit pengotor alamiahnya, sedangkan dua digit terakhir menunjukkan persentase minimum dari aluminium tsb. Digit pertama pada seri 2xxx sampai 7xxx menunjukkan kelompok paduannya berdasarkan unsur yang memiliki persentase komposisi terbesar dalam paduan.

       Digit kedua menunjukkan modifikasi dari unsur paduannya, jika digit kedua bernilai 0 maka paduan tersebut murni terdiri dari aluminium dan unsur paduan. Jika nilainya 1 – 9, maka paduan tersebut memiliki modifikasi dengan unsur lainnya. Dua angka terakhir untuk seri 2xxx – 8xxx tidak memiliki arti khusus, hanya untuk membedakan paduan aluminium tersebut dalam kelompoknya.  Paduan aluminium tuang penamaannya memakai sistem tiga digit diikuti dengan satu bilangan desimal. Tabel 2.2 menunjukkan seri paduan aluminium tuang berdasarkan unsur paduannya

12.  Paduan Aluminium – Silikon

            Paduan aluminium – silikon tuang memiliki sifat mekanis, mampu cor, mampu las dan ketahanan korosi yang sangat baik sehingga secara luas telah digunakan untuk aplikasi aerospace, rekayasa laut, automobil dan rekayasa instrumen. Paduan aluminium-silikon tuang komersial adalah material multi fasa yang terdiri dari mikrostruktur yang diklasifikasikan dengan seri 3xx.x untuk paduan aluminium silikon dengan tambahan tembaga dan atau magnesium, dan seri 4xx.x untuk paduan aluminium silikon. Sifat karakteristik paduan Al-Si pada umumnya mempunyai kekuatan tarik yang tinggi dalam hubungannya dengan densitas. Tingkat kekuatan tariknya sangat dipengaruhi oleh komposisi multi fasa mikrostrukturnya. Tabel 2.3 berisi perbandingan kekuatan tarik dari paduan aluminium dan paduan lainnya.

Kandungan silikon dalam paduannya berkisar antara 5 – 23 % wt. Strukturnya bisa hipoeutektik (1.65 – 12.6 wt % Si), eutektik (12.6 wt % Si), dan hipereutektik (> 12.6 wt % Si) tergantung dari persentase silikon dalam paduannya seperti pada Gambar 2.1. Dalam ketiga jenis paduan aluminium- silikon tuang ini (hipoeutektik, eutektik, hipereutektik) terdapat α-Al yang merupakan komposisi utama dari paduan Al-Si tuang. Paduan aluminium- silikon tuang paling sering ditemui dalam fasa hipoeutektik dan eutektik. Unsur silikon dalam paduan tersebut dapat meningkatkan ketahanan korosi dan aus, meningkatkan karakteristik casting dan machining pada paduan.  

13. Metallography Test (foto mikro)  

Hubungan antara struktur mikro dengan sifat mekanik logam dipengaruhi oleh kuantitas fasa, ukuran fasa dan pengaruh bentuk fasa. Paduan Al-Si memiliki kombinasi karakteristik yang baik antara lain castability, ketahanan korosi yang baik (good corossion resistance), ketahanan aus (wear resistance), dan mampu mesin yang baik (machinability).

Setiap spesimen yang akan di lakukan pengujian seharusnya dilakukan foto mikro, tujuannya adalah untuk menganalisa struktur pada benda uji atau spesimen. Pengambilan foto dilakukan dengan menggunakan mikroskop optic tipe MM 10 A serta didukung oleh software-nya, sebelum dilakukan pengambilan gambar spesimen terlebih dahulu di polishing sedemikian rupa agar foto yang didapat menjadi maksimal. Adapun langkah-langkah yang harus dilakukan pada metalografi adalah sebagai berikut:   

• Pemotongan (Cutting) Spesimen 

Secara teknis proses permesinan mulai dilakukan orang sejak diperkenalkan mesin koter (boring machine) oleh Wilkinson pada tahun 1775 yang digunakan untuk membuat komponen mesin uap James Watt. Pada saat itu  konsep ketelitian dan ketepatan mulai di anut karena komponen mesin memerlukan ketelitian dan ketepatan pembuatan yang tinggi. Dalam perkembangannya, sesuai dengan kemajuan teknologi pembuatan komponen logam yang lain.

Setelah dilakukan proses pencetakan dan spesimen dikeluarkan dari cetakan maka hal yang dilakukan selanjutnya adalah proses pemotongan. Tujuan dari proses pemotongan (Cutting) ini adalah untuk membentuk spesimen uji yang kita inginkan. Pemotongan dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan proses sekrap (shaping/planing). Proses sekrap merupakan proses yang hampir sama dengan proses bubut, dalam hal ini gerak potongannya bukan gerakan rotasi, melainkan gerakan translasi yang dilakukan oleh pahat (pada mesin sekrap) atau oleh benda kerja (pada mesin sekrap meja).  

Cara kerjanya yaitu, benda kerja dipasang pada meja sementara pahat (serupa dengan pahat bubut) dipasangkan pada pemegangnya. Kedalaman potong dapat ditetapkan dengan cara menggeser pahat melalui skala pada pemutar. Gerak makan seperti halnya pada proses bubut dapat dipilih dan pada saat langkah baik berakhir di meja atau pahat bergeser sejauh harga yang dipilih tersebut. Panjang langkah pemotongan diatur sesuai dengan panjang benda kerja ditambah dengan jarak pengawalan dan jarak pengakhiran. Apabila hal ini talah ditetapkan maka perbandingan kecepatan menjadi tertentu harganya (tergantung dari konstruksi mesin). Dalam hal ini kecepatan mundur (tidak memotong) harus lebih tinggi daripada kecepatan maju (memotong). Kecepatan potong rata-rata dan kecepatan makan ditentukan oleh jumlah langkah per menit yang akan dipilih dan diatur pada mesin perkakas  yang bersangkutan.  

• Bingkai (Mounting) Spesimen  

Dalam pemilihan material untuk mounting, yang perlu diperhatikan adalah perlindungan dan pemeliharaan terhadap spesimen. Bingkai haruslah memiliki kekerasan yang cukup, meskipun kekerasan bukan merupakan suatu indikasi, dari karakteristik abrasif. Material bingkai juga harus tahan terhadap distorsi fisik yang disebabkan oleh panas selama pengamplasan, selain itu juga harus dapat melkukan penetrasi ke dalam lubang yang kecil dan bentuk permukaan yang tidak beraturan. 

Spesimen yang berukuran kecil atau memiliki bentuk yang tidak beraturan akan sulit untuk ditangani khususnya ketika dilakukan pengamplasan dan pemolesan akhir. Sebagai contoh adalah spesimen yang berupa kawat, spesimen lembaran metal tipis, potongan yang tipis, dan lain-lain.Untuk memudahkan penanganannya, maka spesimen-spesimen tersebut harus ditempatkan pada suatu media (media mounting).  

Media mounting yang dipilih haruslah sesuai dengan material dan jenis reagen etsa yang akan digunakan. Pada umumnya mounting menggunakan material plastik sintetik. Materialnya dapat berupa resin (castable resin) yang dicampur dengan hardener, atau bakelit. Penggunaan castable resin lebih mudah dan alat yang digunakan lebih sederhana dibandingkan bakelit, karena tidak diperlukan aplikasi panas dan tekanan.Namun bahan castable resin ini tidak memiliki sifat mekanis yang baik (lunak) sehingga kurang cocok untuk material- material yang keras.Teknik mounting yang paling baik adalah menggunakan thermosetting resin dengan menggunakan material bakelit. Material ini berupa bubuk yang tersedia dengan warna yang beragam.Thermosetting mounting membutuhkan alat khusus, karena dibutuhkan aplikasi tekanan (4200 lb.in-2) dan panas (1490˚C) pada mold saat mounting. 

•  Pengamplasan (Grinding) Spesimen 

Perbedaan antara pengerindaan dan pengamplasan terletak pada batasan kecepatan dari kedua cara tersebut. Pengerindaan adalah suatu proses yang memerlukan pergerakan permukaan abrasif yang sangat cepat, sehingga menyebabkan timbulnya panas pada permukaan spesimen. Sedangkan pengamplasan adalah proses untuk mereduksi suatu permukaan dengan pergerakan permukaan abrasif yang bergerak relatif lambat sehingga panas yang dihasilkan tidak terlalu signifikan. 

Pada proses ini dilakukan penggunaan partikel abrasif tertentu yang berperan sebagai alat pemotongan secara berulang-ulang. Pada beberapa proses, partikel- partikel tersebut dsisatukan sehingga berbentuk blok dimana permukaan yang ditonjolkan adalah permukan kerja. Partikel itu dilengkapi dengan partikel abrasif yang menonjol untuk membentuk titik tajam yang sangat banyak.  

Pengamplasan dilakukan dengan menggunakan kertas amplas yang ukuran butir abrasifnya dinyatakan dengan mesh. Urutan pengamplasan harus dilakukan dari nomor mesh yang rendah (hingga 150 mesh) ke nomor mesh yang tinggi (180 hingga 600 mesh). Ukuran grit pertama yang dipakai tergantung pada kekasaran permukaan dan kedalaman kerusakan yang ditimbulkan oleh pemotongan. Hal yang harus diperhatikan pada saat pengamplasan adalah pemberian air. Air berfungsi sebagai pemidah geram, memperkecil kerusakan akibat panas yang timbul yang dapat merubah struktur mikro sampel dan memperpanjang masa pemakaian kertas amplas.  

4.         Pemolesan (Polishing) Spesimen 

Pemolesan bertujuan untuk memperoleh permukaan sampel yang halus bebas goresan dan mengkilap seperti cermin dan menghilangkan ketidakteraturan sampel. Permukaan sampel yang akan diamati di bawah mikroskop harus benar- benar rata. Apabila permukaan sampel kasar atau bergelombang, maka pengamatan struktur mikro akan sulit untuk dilakukan karena cahaya yang datang dari mikroskop dipantulkan secara acak oleh permukaan sampel. Perbedaan antara pengerindaan dan pengamplasan terletak pada batasan kecepatan dari kedua cara tersebut. Pengerindaan adalah suatu proses yang memerlukan pergerakan permukaan abrasif yang sangat cepat, sehingga menyebabkan timbulnya panas pada permukaan spesimen. Sedangkan pengamplasan adalah proses untuk mereduksi suatu permukaan dengan pergerakan permukaan abrasif yang bergerak relatif lambat sehingga panas yang dihasilkan tidak terlalu signifikan.

Dari proses pengamplasan yang didapat adalah timbulnya suatu sistim yang memiliki permukaan yang relatif lebih halus atau goresan yang seragam pada permukaan spesimen. Pengamplasan juga menghasilkan deformasi plastis lapisan permukaan spesimen yang cukup dalam. Proses pemolesan menggunakan partikel abrasif yang tidak melekat kuat pada suatu bidang tapi berada pada suatu cairan di dalam serat-serat kain.  

Tujuannya adalah untuk menciptakan permukaan yang  sangat halus sehingga bisa sehalus kaca sehingga dapat memantulkan cahaya dengan baik. Pada pemolesan biasanya digunakan pasta gigi, karena pasta  gigi mengandung Zn dan Ca yang akan dapat mengasilkan permukaan yang sangat halus. Proses untuk pemolesan hampir sama dengan pengamplasan, tetapi pada proses pemolesan hanya menggunakan gaya yang kecil pada abrasif, karena tekanan yang didapat diredam oleh serat-serat kain yang menyangga partikel.  

•  Etsa (Etching) Spesimen 

Etsa dilakukan dalam proses metalografi adalah untuk melihat struktur mikro dari sebuah spesimen dengan menggunakan mikroskop optik. Spesimen yang cocok untuk proses etsa harus mencakup daerah yang dipoles dengan hati-hati, yang bebas dari deformasi plastis karena deformasi plastis akan mengubah struktur mikro dari spesimen tersebut. Etsa dapa dibagi menjadi dua jenis, yaitu: 

a.    Etsa Kimia merupakan proses pengetsaan dengan menggunakan larutan kimia dimana zat etsa yang digunakan ini memiliki karakteristik tersendiri sehingga pemilihannya disesuaikan dengan sampel yang akan diamati. Contohnya antara lain : Nitrid Acid / Nital (Asam Nitrit + Alkohol 95%), Picral (Asam Picric + Alkohol), Ferric chloride, Hydroflouric acid, dll. Perlu diingat bahwa waktu etsa jangan terlalu lama (umumnya sekitar 4 ± 30 detik), dan setelah dietsa, segera dicuci dengan air mengalir lalu dengan Alkohol  kemudian dikeringkan dengan alat  pengering.

b.    Elektro Etsa (Etsa Elektrolitik) merupakan proses etsa dengan menggunakan reaksi elektoetsa. Cara ini dilakukan dengan pengaturan tegangan dan kuat arus listrik serta waktu pengetsaan. Etsa jenis ini biasanya khusus untuk stainless steel karena dengan etsa kimia susah untuk medapatkan detil strukturnya .

Etsa merupakan proses penyerangan atau pengikisan batas butir secara selektif dan terkendali dengan pencelupan ke dalam larutan pengetsa baik menggunakan listrik maupun tidak ke permukaan sampel sehingga detil struktur yang akan diamati akan terlihat dengan jelas dan tajam. Untuk beberapa material, mikrostruktur baru muncul jika diberikan zat etsa.Sehingga perlu pengetahuan yang tepat untuk memilih zat etsa yang tepat.Pengamatan struktur makro dan mikro. Pengamatan metalografi dengan mikroskop optik dapat dibagi dua, yaitu:  

a. Metalografi makro yaitu pengamatan struktur dengan perbesaran 10-100 kali.

b. Metalografi mikro yaitu pengamatan struktur dengan perbesaran diatas 100 kali

14.   Uji Kekerasan Vikers

            Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan sebuah benda (benda kerja) terhadap penetrasi/daya tembus dari bahan lain yang lebih keras (penetrator). Nilai kekerasan dapat diketahui dengan beberapa metode diantaranya rockwell test, brinnel test dan vickers test.

            Metode pengujian Vickers menggunakan indentor berbentuk piramida intan. Piramida pada ujung penekan mempunyai bentuk dasar persegi dan pada ujungnya mempunyai sudut 136º pada sisi yang saling berhadapan. Indentor ditekan dengan gaya sebesar 100 Kgf, beban ini ditekankan pada periode selama sepuluh hingga 15 detik. Kedua diagonal dari penekan yang tertinggal pada material diukur menggunakan mikroskop dan diambil rata- ratanya. Luas permukaan tapak tekan dapat dihitung dengan membagi beban yang digunakan dengan luas tapak tekan dalam mm2

5. Uji Tekan (UTM)

Kuat tekan suatu material didefenisikan sebagai kemampuan material dalam menahan beban atau gaya mekanis sebagai kemampuan material dalam menahan beban atau gaya mekanis sampai terjadinya kegagalan (failure). 

            Pengujian kuat tekan dapat dilihat pada gambar 2.5.1  bentuk sampel uji biasanya berbentuk silinder dengan perbandingan panjang dan diameter, (L/d) adalah 1 banding 3. Akan tetapi, nilai perbandingan antara panjang dan tinggi bisa sampai 10 pada saat pengujiaan sampel  untuk menentukan nilai dari modulus elastik.  

            Dalam melakukan pengujian kuat tekan, panjang sampel harus sesuai dengan yang telah ditetapkan. Apabila perbandingan panjang dan diameter terlalu besar maka akan terjadi buckling. Jika hal ini terjadi, maka hasil dari uji kuat tekan tidak akan menghasilkan nilai yang berarti artinya kuat tekan dari sampel sangat kecil. Buckling merupakan nilai yang sangat kecil dalam pengujian kuat tekan dan tidak perlu dimasukkan kedalam perhitungan tes hasil uji dan perlu di lakukan pengujian kembali. Seperti contoh pengujian kuat tekan dapat dibuat secara paralel tetapi tidak akan menghasilkan nilai yang sempurna untuk pengujian tersebut.  

6. Perlakuan Panas pada AL-Si

Lebih lengkapnya, proses yang disebut sebagai perlakuan panas ini bertujuan untuk meningkatkan sifat mekanik material seperti tensile strength, resistance, elongation, impact resistance, dan hardness. Tidak seperti pada logam ferrous, paduan logam non ferous seperti alumunium hanya dapat dikeraskan secara signifikan melalui proses yang disebut sebagai precipitation hardening, yaitu proses tambahan yang bertujuan untuk menambah kekuatan material melalui penghalusan butir.

Pada proses ini, sifat mekanik paduan alumunium ditingkatkan dengan cara pembentukan lattice defect yang akan berlaku sebagai penghambat gerak dislokasi. Pada hasil proses precipitation hardening, defect tersebut berbentuk partikel-partikel halus yang terdistribusi merata, disebut sebagai presipitat.

Intinya, proses precipitation hardening pada alumunium memanfaatkan pembentukan presipitat (materi yang keras dan berfungsi sebagai inklusi / penghambat laju dislokasi) seperti Mg2Si, CuAl2, Si eutectic, dan Mg2Al. Oleh karena itu Mg, Si, ataupun Cu merupakan elemen-elemen utama dalam paduan alumunium. Tanpa adanya unsur-unsur tersebut, kecil kemungkinan terjadinya pengerasan melalui proses heat treatment.

Solution Treatment

Solution treatment dapat dilakukan pada media udara, oli atau tungku garam. Media oli (200 – 300°C) dan garam (300 – 500 °C) memiliki keuntungan daripada media udara dalam hal keseragaman temperatur prosesnya, tetapi dari segi kemudahan proses dan pencapaian temperaturnya yang tinggi, media udara lebih banyak digunakan.

Solution treatment dilakukan untuk mendapatkan fasa tunggal yang sesuai dan stabil. Berdasarkan diagram fasanya, fasa yang stabil adalah fasa α. Sebagai ilustrasi, rentang temperatur stabil untuk paduan 4wt% Cu adalah antara 500 – 550 °C, maka agar terjadi proses difusi unsur paduan ke dalam matriksnya (sebagai syarat untuk merubah struktur mikro), paduan tersebut harus mengalami solution treatment di antara temperatur tersebut.

Pada solution treatment, paduan dipanaskan hingga membentuk larutan padat sempurna (yaitu wilayah fasa tunggal pada diagram fasa). Kondisi fasa matriks pada temperatur ini memungkinkan elemen-elemen paduan berdifusi ke dalam matriks induknya dan terdistribusi dengan sendirinya secara merata. Komposisi yang terjadi disebut sebagai larutan padat. Larutan padat kemudian didinginkan dengan cepat (quench) hingga mencapai temperatur kamar. Setelah diquench, atom-atom yang terlarut akan tetap terdistribusi merata dalam larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution) yang memiliki sifat sangat lunak dan ulet.

Struktur mikro paduan alumunium hasil casting terdiri dari kristal silikon eutektik berbentuk jarum, Mg2Si berwarna keabu-abuan dan fasa alumunium pro-eutektoid. Proses solution treatment menyebabkan Mg2Si terlarut ke dalam matriks alumunium, sementara kristal eutektik silikon yang tadinya berbentuk jarum berubah menjadi nodular. Transisi ini memerlukan waktu yang cukup lama. Semakin lama waktu solution dan semakin tinggi temperaturnya maka proses akan menghasilkan efek yang lebih baik. Tetapi bagaimanapun juga, kedua parameter tersebut memiliki batas tertentu.

Quenching

Proses quenching merupakan proses yang kritikal untuk menghasilkan distribusi fasa presipitat yang seragam pada saat proses aging. Jika proses pendinginannya berlangsung terlalu lambat, presipitat akan terbentuk di batas butir, yang akan menyebabkan sifat mekaniknya keras dan getas. Pembentukan presipitat di batas butir alumunium berpotensi menyebabkan terjadinya intergranular embrittlement (perambatan retak melalui batas butir alumunium).

Proses quenching yang melibatkan pendinginan cepat (rapid cooling) fasa padat α yang kaya akan elemen paduan (Si, Mg, Cu) dalam air hingga mencapai temperatur kamar. Pendinginan cepat ini akan mempertahankan larutan padat dengan cara mencegah difusi atom-atom paduan keluar dari matriksnya, menghasilkan larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution – SSS)). Proses ini dikenal sebagai proses solid solution hardening.

Bila paduan didinginkan dengan lambat setelah proses solution treatment, Mg2Si dan elemen-elemen lain yang tadinya sudah berdifusi ke dalam matriks alumunium akan kembali ke keadaan awal sebelum solution treatment. Tetapi jika paduan didinginkan dengan cepat ke dalam air, Mg2Si akan tetap terlarut dalam matriks, seperti kondisi saat solution treatment. Proses pendinginan cepat ini dikenal sebagai proses quenching. Dengan kata lain, proses quenching memaksa Mg2Si terlarut dalam matriks pada kondisi padat sehingga matriks bersifat lewat jenuh (supersaturated solid solution). Semakin cepat laju pendinginannya akan semakin baik, tetapi bila terlalu cepat akan menyebabkan material terdeformasi. Oleh sebab itu material diquench dalam air hangat (80 °C).

Aging

Langkah terakhir adalah pemanas ulang (re-heating) larutan pada temperatur tertentu dan ditahan pada temperatur tersebut selama beberapa waktu, dikenal sebagai proses aging.
Setelah proses quenching, paduan yang memiliki struktur larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution) cenderung tidak stabil dan bertendensi membentuk presipitat Mg2Si. Saat waktunya tiba, Mg2Si akan terdispersi dan terpresipitasi. Peristiwa ini disebut sebagai aging.
Aging terbagi menjadi dua kategori : aging dingin, dimana presipitasi berlangsung pada temperatur kamar (natural aging) dan aging panas dimana paduan dipanaskan untuk mempercepat terbentuknya presipitat (artificial aging). Semakin tinggi temperatur aging dan semakin lama waktunya, paduan akan menjadi semakin keras. Tetapi bila temperatur terlalu tinggi atau waktunya terlalu lama, proses presipitasi akan mencapai puncaknya dan presipitat-presipitat yang telah terbentuk akan saling berdifusi dan beraglomerasi membentuk struktur baru, sehingga jumlah presipitat dalam matriks akan berkurang. Hal ini menyebabkan kekerasan paduan akan menurun. Peristiwa ini disebut sebagai overaging.