STRUKTUR MIKRO DAERAH LAMINASI KOMPOSIT …vendy17.blog.uns.ac.id/files/2010/04/struktur-mikro-daerah-laminas... · Bahan komposit berbasis metalurgi serbuk merupakan salah satu solusi

Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008

Universitas Lampung, 17-18 November 2008

ISBN : 978-979-1165-74-7 V-116

STRUKTUR MIKRO DAERAH LAMINASI KOMPOSIT LAMINAT HIBRID

Al/Al2O3-Al/ SiC DENGAN VARIASI WAKTU TAHAN SINTER

Widyastuti*, Anne Z**, Dedi P**, Eddy S. Siradj**, Sulistijono*

*Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS Surabaya email: [email protected]

**Departemen Metalurgi dan Material Universitas Indonesia Kampus UI Depok

ABSTRAK

Material murah dan ringan menjadi persyaratan utama dalam dunia otomotif. Persyaratan ini memunculkan inovasi dalam pembuatan komposit laminasi Metal Matrix Composite (MMC) berbasis Alumunium dengan filler SiC maupun Al2O3, hanya saja metode laminasi sebagai pengembangan metode metalurgi serbuk belum banyak dilakukan, termasuk pengamatan mikrostruktur pada daerah laminasi.Penelitian ini menggunakan serbuk Aluminium sebagai matriks dan serbuk Alumina dan SiC sebagai penguatnya. Pada proses pembuatan komposit lamina isotropic Al/Al2O3-Al/ SiC, variasi waktu tahan sangat berpengaruh terhadap kualitas akhir komposit. Variasi waktu tahan sinter yang digunakan ádalah 2, 4, dan 6 jam. Sedangkan temperatur sinter yang digunakan adalah 600˚C. pada penelitian ini menggunakan cold compaction dengan variasi penekanan 15 kN dan 25 kN. Pengujian yang dilakukan adalah uji MO dan SEM.Dari hasil penelitian diperoleh bahwa densitas tertinggi dicapai saat 40%Vf SiC/40Vf Al2O3 dengan waktu tahan 6 jam yaitu 2,9 gr/cm3. Densitas komposit laminat hibrid terendah dicapai saat 10Vf SiC/10%vf Al2O3 dengan waktu tahan 2 jam yaitu 2,3gr/cm3. Porositas tertingi terjadi pada saat fraksi volumenya 10 % untuk variasi waktu tahan 2 jam dan 4 jam yaitu sebesar 17 %. Sedangkan porositas terendah terjadi pada saat fraksi volumenya 40 % untuk variasi waktu tahan 6 jam yaitu sebesar 3 %., sedangkan nilai shrinkage tertinggi terjadi pada fraksi volume 10 % dengan waktu sinter 2 jam yaitu nilainya sebesar 63 %, sedangkan nilai shrinkage terendah terjadi pada saaat fraksi volume 30 % dengan waktu tahan sinter 6 jam dengan nilai shrinkage sebesar 13 %. Kata Kunci: Struktur mikro, Laminat Hibrid Al/Al2O3-Al/ SiC, Waktu tahan sinter. 1. PENDAHULUAN

Dewasa ini industri otomotif di Indonesia berkembang dengan pesat, sehingga perlu

didukung penyediaan suku-cadang yang berkualitas baik dan berharga murah. Penggunaan

bahan berbasis baja memiliki sifat mekanik yang baik tetapi ketahanan korosinya kurang baik,

maka diperlukan metode baru untuk menghasilkan bahan yang berkualitas dan memiliki

ketahanan korosi yang baik. Bahan komposit berbasis metalurgi serbuk merupakan salah satu

solusi yang dapat dikembangkan, karena pada komposit akan dihasilkan sifat yang baru dari dua

atau lebih campuran yang berbeda (Arifin, 2002).

Jenis komposit yang banyak dikembangkan industri otomotif dewasa ini adalah

komposit yang matriknya berupa logam (MMC/Metal Matrik Composite), yaitu komposit

bermatrik aluminium (AMC/Aluminium Matrix Composit). Saat ini AMC digunakan dalam



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-117

industri otomotif untuk mesin piston, disk brake, gear dll. Kelebihan dari AMC adalah ringan,

memiliki kekerasan tinggi, modulus spesifik yang tinggi dan sifat ketahanan aus yang baik.

Aluminium merupakan jenis logam yang lebih ulet dan memiliki ketahanan korosi yang lebih

baik dari pada baja, sedangkan alumina memiliki sifat kekerasan yang tinggi dan tahan terhadap

korosi (Evans et al, 2000). Demikian juga dengan SiC yang juga mempunyai tingkat kekerasa

yang tinggi. Dengan menggunakan aluminium sebagai matrik dan alumina dan SiC sebagai

penguat dari bahan komposit diharapkan diperoleh komposit dengan sifat kekerasan relatif

tinggi dan keuletan yang lebih besar dari baja serta memiliki ketahanan korosi yang baik.

Penelitian ini menggunakan metode metalurgi serbuk dengan serbuk aluminium sebagai

matrik dan serbuk alumina dan SiC sebagai penguat. Pada proses pembuatan komposit lamina

isotropik Al/Al2O3-Al/SiC dengan proses metalurgi serbuk, variasi waktu tahan sintering sangat

berpengaruh terhadap kualitas akhir komposit (Widyastuti, 2007). Variasi holding time yang

digunakan adalah 2, 4, dan 6 jam. Pada penelitian ini menggunakan cold compaction/penekanan

pada temperatur kamar dengan variasi tekanan 15 kN dan 25 kN karena gaya tekan ini berada

diantara yield strength matrik dan penguatnya.

I. 1 Porositas

Porositas pada Komposit yang dibuat dengan menggunakan proses metalurgy serbuk

pada umumnya cenderung lebih tinggi dibandingkan metalurgy cair (casting). Hal ini

disebabkan karena sepanjang tahapan proses metalurgi serbuk terdapat kemungkinan adanya

udara atau lubrikan yang terjebak diantara partikel serbuk seperti misalnya saat penimbangan

serbukk, pencampuuran, dan saat kompaksi (Chandrawan, 1998). Porositas dapat terjadi akibat

terjebaknya lubrikan atau gas dan terjadinnya proses necking yang tidak terjadi secara

sempurna. Prediksi secara tepat kekuatan mekanik material porus dapat dilakukan dengan

mempertimbangkan bentuk porus, orientasi porus dan volume porus. Analisa porus pada

umumnya hanya mempertimbangkan efek fraksi volume porositas dalam kaitanya dengan

kekuatan komposit porus (Gibson, 1994).

Persyaratan dasar kekuatan komposit terletak pada kualitas kekuatam antarmuka matrik

dan penguat. Ikatan antarmuka inilah yang menjadi jembatan transmisi tegangan luar yang

diberikan dari matrik menuju partikel penguat. Jika ikatan yang terjadi antara matrik dengan

penguat terjadi dengan baik maka transmisi tgangan ini dapat berlangsung dengan baik.

Keberadaan porus yang terletak pada daerah antarmuka antar serbuk matrik dan ppenguat

menyebabkan terhalangnya pembentukan ikatan antar partikel penguat sepanjang proses

kompaksi maupun pembentukan liquid bridge sepanjang proses sintering. Porositas juga

merupakan pusat konsentrasi tegangan eksternal yang dapat menurunkan kemampuan material

dalam menahan beban eksternal. Keberadaan porositas menyebabkan penurunan sifat mekanik

komposit.



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-118

Pada komposit laminat Al/SiC-Al/Al2O3, porositas tidak hanya terjadi pada daerah antar

muka matriik dan penguat namun juga terjadi pada daerah laminasi antar lapisannya. Hal ini

berakibat lapisan pertama (Al/SiC) dan lapisan kedua (Al/Al2O3) meskipun bermatrik sama

yaitu aluminium tidak dapat berikatan secara baik membentuk komposit lapis tunggal. Model

porositas pada komposit laminat Al/SiC-Al/Al2O3 ada 2 macam yaitu porositas antar partikel

dan porositas antar laminasi. Pada umumnya total porositas antar partikel serbuk masih lebih

kecil dibandingkan porositas pada daerah laminasi. Sehingga porositas pada komposit laminat

Al/SiC-Al/Al2O3 dikontribusi dari porositas antar partikel serbuk dan porositas pada daerah

lamminasi. Meskipun demikian sangat sulit untuk menentukan prosentase kontribusi porositas

antar partikel serbuk dan kontribusi akibat porositas pada daerah laminasi.

Porositas sangat berhubungan erat dengan kompaktibilitas. Semakin kecil ukuran

serbuk maka luas kontak permukaan antar butir semakin luas. Sehingga porositasnya semakin

kecil maka sifat kompaktibilitas bahan semakin tinggi. Porositas bahan dapat ditentukan dengan

pengukuran densitas bahan. Dengan mengetahui densitas teoritas (ρt) dan densitas sintering (ρs).

Densitas teoritis adalah densitas yang mengikuti aturan hukum campuran (rule of mixture)

(Widyastuti, 2001). Densitas sintering merupakan densitas bahan yang setelah mengalami

proses sintering. Fraksi porositas ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

P = 1- (ρs / ρt) ....................................(1.1)

1. 2 Shrinkage

Selisih nilai green density dengan sinter density menyatakan persen penyusutan

(shringkage) akibat menguapnya gas atau pelumas yang terjebak diantara partikel serbuk.

Penyusutan (shrinkage) pori terjadi selama proses sintering. Selisih antara green density dan

sintered density adalah penyusutan pori yang terjadi.

2. METODE PENELITIAN

2. 1 Preparasi sample

Pada tahap ini dilakukan penimbangan serbuk Al-Al2O3 dan Al-SiC sesuai dengan

fraksi volume masing masing. Fraksi volume SiC/Al2O3 dibuat 10%Vf SiC/10% Vf Al2O3,

20%Vf SiC/20% Vf Al2O3, 30%Vf SiC/30% Vf Al2O3, dan 40%Vf SiC/40% Vf Al2O3. Sampel

yang dibuat dalam bentuk balok dengan panjang 7 cm, lebar 1 cm, dan tinggi 0,5cm dan

dilakukan penimbangan massa serbuk matrik Al dan Al2O3



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-119

Tabel 2.1 Data Massa Matriks (Al) dan Penguat( SiC/Al2O3)

Al Al2O3 SiC Vf Vol.

Komp.

(cm3)

wm (gr) wf (gr) wf (gr)

10% 0.6 1.701 0.2723 0.203 20% 0.6 1.512 0.5446 0.406 30% 0.6 1.323 0.8169 0.609 40% 0.6 1.134 1.0892 0.812

2. 2 Pelapisan

Pada tahap ini dilakukan proses pelapisan pada penguat SiC dan Al2O3 dengan bahan

pelapis MgAl2O4. HNO3(40ml) + Mg(0,02gr) +Al (1gr) diaduk dengan magnetik stirrer hingga

bening dan selanjutnya dimasukkan partikel SiC (16gr) yang akan dilapisi permukaannya.

Seelah diaduk hingga kering selanjutnya partikel SiC ini di panaskan pada suhu 200oC selama 1

jam dan 400oC selama 1 jam juga. Cara yang sama dilakukan untuk pelapisan partikel Al2O3. 2. 3 Pencampuran

Proses pencampuran antara matrik Aluminium dan partikel penguat SiC maupun Al2O3

yang digunakan adalah pencampuran basah (wet mixing), yaitu pencampuran dengan

menambahkan pelarut polar berupa etanol dan pengadukan dilakukan dengan magnetik stirrer.

2. 4 Penekanan

Metode penekanan yang digunakan adalah metode penekanan dingin(cold

compression). Tujuan menggunakan metode ini adalah untuk menghindari terbentuknya

oksidasi pada aluminium.

2. 5 Analisa densitas sintering

Pengujian densitas komposit laminat isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dilakukan dengan

metode Archimedes. Pertama dilakukan menentukan masa kering sampel uji (mĸ) dengan

menggunakan timbangan digital balance, dan ditentukan berat kering sampel menggunakan

spring balance (1 N) Wk. Selanjutnya berat sampel dalam air di ukur dengan spring balance (1

N) sebagai Wb. Selisih antara (Wk-Wb) merupakan gaya apung zat cair pada benda. Gaya

apung zat cair sama dengan berat air (Wa) yang dipindahkan akibat tercelupnya benda, dimana

Wa = ρair x Va x g. Jadi volume air Va = Wa / ρair, volume air tersebut sama dengan volume

benda uji (Vc). Karena massa benda uji sudah diketahui (mk) maka densitas sintering komposit

ρs = mk / Vc.

2. 6 Analisa SEM

SEM merupakan alat yang digunakan untuk mengamati partikel pada M = 10-100000

kali, resolusi permukaan hingga kedalaman 3-100 nm. Pengujian SEM dilakukan untuk



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-120

mengetahui mikrostruktur dari komposit yang telah dibuat. Mekanisme pengambilan data SEM

adalah berkas elektron yang dipancarkan oleh sumber elektron kemudian berkas elektron ini

akan berinteraksi dengan spesimen. Sebagian elektron terabsorbsi oleh spesimen (sebagian

kecil) dan sebagian lagi akan terpantul dan terhambur balik. Elektron yang terpantul akan

tertangkap oleh detektor secondary electron dan yang terhambur balik akan tertangkap oleh

Back Scatter Electron (BSE). Sebelum bahan ditembak dengan SEM terlebih dahulu diratakan

permukaannya dengan menggunakan kertas gosok. Proses pengamatan mikrostruktur

menggunakan SEM (scan electron mikroskope) dilakuka pada daerah laminasinya. Pengamatan

elemen elemennya yang ada pada komposit dilakukan pada titik pengamatan pada daerah

matrik, interface matrik-penguat, dan pada daerah penguat.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Densitas Komposit Laminat Hibrid Al/SiC-Al/Al2O3

Material komposit merupakan gabungan dari dua material atau lebih yang

mempersyaratkan terjadinya ikatan antar muka keduanya. Pada material komposit, fraksi

volume penguat memberikan pengaruh yang signifikan terhadap sifat fisik maupun mekanik

komposit. Material dengan fraksi volume terbesar disebut sebagai matrik dan material dengan

fraksi volume lebih rendah disebut pengisi atau penguat. Pada umumnya penambahan fraksi

volume penguat sebanding dengan peningkatan sifat mekanik material komposit.

Hipotesis awal tentang pengaruh fraksi volume dan distribusi penguat SiC maupun

Al2O3 terhadap proses laminasi pada komposit Al/SiC-Al/Al2O3 adalah dengan bertambahnya

fraksi volume dengan distribusi penguat semakin homogen, maka kualitas ikatan antar lapisan

akan berkualitas baik. Hal ini terjadi karena kapasitas panas keramik (SiC / Al2O3) sebesar

3,7.10 -6 / º C (2,7 PPm / º) dan 9.10 -6 / º C (6.5 Ppm / º) lebih tinggi dari kapasitas panas Al

2,08.10 -2 / º C (23,6 Ppm / º) sehinga sepanjang proses sintering komposit dengan fraksi

penguat lebih banyak akan mampu menyerap panas lebih banyak dibandingkan pada komposit

lamina dengan fraksi volume penguat lebih sedikit. Penyerapan energi panas ini membantu

proses difusi antar lapisan yang akan meningkatkan kualitas ikatan antar lapisan. Selain itu

distribusi penguat yang homogen menyebabkan tidak adanya lagi aglomerasi penguat yang akan

memicu konsentrasi stress dan shock thermal dengan matrik sekitar. Semakin lama waktu tahan

sinter maka akan semakin meningkat densitas komposit sebagaimana dinyatakan pada gambar

3.1



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-121

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

0 2 4 6 8

Waktu tahan sinter (Jam)

Den

sita

s (g

r/cm

3)

10% 20%30% 40%

Gambar 3.1 Grafik waktu sinter terhadap sinter density

Densitas komposit terjadi akibat terjadinya ikat antar partikel. Pada keadaan mula-mula

kemampatan partikel terjadi akibat interkoneksitas akibat gaya tekan yang meningkat. Interaksi

ini murni terjadi akibat interlocking antar permukaan pasangan-pasangan artikel. Pasangan-

pasangan ini dapat saling interlocking karena memiliki perbedaan ukuran dan distribusi

ketidakhomogenan dalam bulknya sehingga memberikan respon yang bervariasi terhadap

tekanan yang diberikan. Selain itu pasangan ini memberikan pengaruh terhadap distribusi

porositas dalam sample dan mempengaruhi tingkat deformasi partikel serbuk aluminium.

Densitas komposit ini yang dalam hal ini disebut sinter density dapat diukur dengan

menggunakan prinsip Archimedes. Pengaruh fraksi volume penguat SiC maupun Al2O3

terhadap densitas komposit lamina isotropic Al/SiC-Al/Al2O3 ditunjukkan pada table 4.1 dan

gambar 4.2 diatas.

Pada gambar 4.1 terlihat bahwa rata-rata semakin tinggi waktu tahan sinter maka densitas

sinteringnya juga semakin besar, artinya bahwa peningkatan waktu tahan sinter sebanding

dengan peningkatan densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3. Hal ini bisa dilihat saat fraksi volume

10%, pada saat waktu sinter 2 jam besarnya densitas komposit adalah 2.30 gr/cm3, kemudian

saat waktu sinter 4 jam besarnya densitas komposit adalah 2.31 gr/cm3 dan saat waktu sinter 6

jam besarnya densitas komposit adalah 2.60 gr/cm3. Jadi ada kenaikan densitas komposit dari

waktu sinter 2 jam ke 4 jam sebesar 0.22% dan dari waktu sinter 4 jam ke waktu sinter 6 jam

sebesar 5.91 %. Sehingga total kenaikan densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3 dari waktu sinter 2

jam ke waktu sinter 6 jam sebesar 6.12 %.

Sementara untuk fraksi volume 20 % tidak terjadi penurunan maupun kenaikan nilai

densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3, sehingga pada saat waktu sinter 2 jam, 4 jam, dan 6 jam

nilai densitas kompositnya tetap yaitu sebesar 2.70 gr/cm3. untuk fraksi volume 30 %, nilai

densitas kompositnya juga mengalami peningkatan. Pada saat waktu sinter 2 jam nilai densitas



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-122

kompositnya sebesar 2.60 gr/cm3, kemudian saat waktu sinter 4 jam nilai densitas kompositnya

adalah 2.70gr/cm3 dan saat waktu sinter 6 jam nilai densitas kompositnya adalah 2.80 gr/cm3.

jadi dari waktu sinter 2 jam ke waktu sinter 4 jam terjadi kenaikan nilai densitas sebesar 1.88 %,

kemudian dari waktu sinter 4 jam ke waktu sinter 6 jam terjadi kenaikan nilai densitas

komposit sebesar 1.81 %. Jadi total kenaikan nilai densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3 dari

waktu sinter 2 jam ke waktu sinter 6 jam adalah sebesar 3.7 %.

Pada fraksi volume 40 %Vf SiC/40%VfAl2O3 juga terjadi kenaikan nilai densitas komposit

Al/SiC-Al/Al2O3. saat waktu sinter 2 jam, nilai densitas kompositnya adalah 2.80 gr/cm3,

kemudian saat waktu sinter 4 jam nilai densitasnya adalah tetap yaitu sebesar 2.80 gr/cm3, dan

saat waktu sinter 6 jam nilai densitasnya mengalami kenaikan yaitu 2.90 gr/cm3. jadi kenaikan

nilai densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3 terjadi saat waktu sinter 4 jam ke 6 jam, yaitu sebesar

1.75 %. Sedangkan pada 20%Vf SiC/20%Vf Al2O3 dari waktu sinter 2 jam ke 6 jam tidak

terjadi kenaikan nilai densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3 atau bisa di nyatakan bahwa nilai

densitas kompositnya adalah konstan.

Berdasarkan hasil analisa nilai densitas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 untuk

fraksi volume SiC dan Al2O3 di buat tetap 10%, 20 %, 30% dan 40 %dengan temperature 600°C

, terlihat bahwa densitas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 sebanding dengan waktu

sinter, semakin besar waktu sinter maka densitas kompositnya juga semakin naik, sebaliknya

semakin rendah waktu sinter maka densitas kompositnya juga semakin turun. Hal ini dapat

dijelaskan dari mekanisme pelepasan tegangan sisa yang terdapat pada daerah laminasi. Pada

proses pembuatan komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 cara yang digunakan untuk

proses laminasinya adalah dengan memasukkan lapisan pertamanya kemudian dikasih gaya

tekan, setelah itu lapisan kedua dimasukkan lagi dan diberi gaya penekanan lagi. Hal ini

memungkinkan terjebaknya udara atau lubrikan dan akan menjadi porositas. Perlakuan waktu

tahan yang bervariasi akan memberikan energi kepada partikel-partikel serbuk yang

terdeformasi sepanjang proses kompaksi untuk melepaskan tegangan sisa dan meminimalkan

porositas yang terjadi melalui penguapan gas atau lubrikan selama masa tahan sintering

diberikan. Nilai densitas komposit terendah berada pada saat waktu sinter 2 jam dengan fraksi

volume 10 % yaitu sebesar 2.30gr/cm3. sedangkan nilai densitas 2.90gr/cms. Pengamatan waktu

tahan sinter terhadap mikrostruktur dapat teramati pada gambar 4.2 berikut :



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-123

(b)

(a)

Gambar 4.2. Mikrostruktur daerah laminasi komposit laminat hybrid Al/SiC-Al/Al2O3 40%Vf SiC,40%VfAl2O3 dengan temperatur sinter 600oC (a) waktu tahan sinter 2 Jam(b) waktu tahan 6 jam

Pada gambar 4.2 ini terlihat bahwa pda komposit laminat hibrid Al/SiC-Al/Al2O3 dengan

variabel fraksi volum penguat yang sama yaitu 40%Vf SiC,40%VfAl2O3 dengan temperatur

sinter 600oC akan mengalami perbedaan mikrostruktur akibat perbedaan waktu tahan sinter dari

2 jam(a) menjadi 6 jam(b). Pada gambar 4.2(a) terlihat ketidakhomogenan yang terjadi pada

daerah laminasi akibata agglomerasi partikel SiC maupun Al2O3 sedangkan pada gambar 4.2(b)

terlihat bahwa daerah laminasi lebih sedikit jumlah porositasnya dibandingkan saat komposit

diberi perlakuan waktu tahan 2 Jam.Hal ini terajadi karena semakin lama waktu tahan sintering

maka jumalah energi yang diserap oleh partikel serbuk baik penguat maupun matrik menjadi

lebih tinggi sehingga difusifitas daerah antar lapisan komposit laminat hibrid juga lebih baik.

Variasi fraksi volume yang juga sebanding dengan densitas kompositnya, semakin besar

fraksi volumenya maka nilai densitas kompositnya juga sermakin naik, sebaliknya semakin

rendah fraksi volume maka densitas kompositnya juga semakin turun. Hal ini terjadi akibat

kemampuan penyerapan panas yang lebih tinggi sepanjang proses sintering oleh komposit

dengan fraksi penguat lebih banyak dibandingkan pada komposit laminat dengan fraksi volume

penguat lebih sedikit.npenyerapan energi panas ini membantu proses difusi antar lapisan yang

akan meningkatkan kualitas ikatan antar lapisan. Termal dibutuhkan untuk energi aktivasi

(driving force) pada proses difusi maka semakin banyak panas yang diserap material komposit

kerapatan daerah antarmuka lapisan akan semakin tinggi. Selain itu distribusi penguat yang

homogen menyebabkan tidak adanya lagi aglomerasi penguat yang akan memicu konsentrasi

stress dan shock termal dengan matrik sekitar. Jadi dapat disimpulkan bahwa penambahan fraksi

volume penguat meningkatkan derajat laminasi antar lapisan komposit laminat dan secara

makroskopik akan meningkatkan densitas komposit Al/SiC-Al/Al2O3.



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-124

4.1 Porositas Komposit Laminat Al/SiC - Al/Al2O3

Porositas pada daerah laminasi dapat disebabkan oleh adanya tegangan sisa yang terjadi

pada penguat saat kompaksi sehingga saat sintering memicu terjadinya retak pada bidang kristal

yang lemah pada bahan tersebut. Dengan adanya waktu tahan maka pergerakan retak akan

semakin tinggi dengan adanya pergerakan dislokasi. Prediksi secara tepat kekuatan mekanik

material porus dapat dilakukan dengan mempertimbangkan bentuk porus, orientasi porus dan

volume porus. Analisa porus pada umumnya hanya mempertimbangkan efek fraksi volume

porositas dalam kaitanya dengan kekuatan komposit porus.

Nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 untuk fraksi volume SiC dan

AlsO3 di buat tetap 10%, 20 %, 30% dan 40 %, terlihat pada gambar 4.3. Porositas tertingi

terjadi pada saat fraksi volumenya 10 % untuk variasi holding time 2 jam dan 4 jam yaitu

sebesar 17 %. Sedangkan porositas terendah terjadi pada saat fraksi volumenya 40 % untuk

variasi holding time 6 jam yaitu sebesar 3 %. Berdasarkan gambar 4.3 juga terlihat bahwa

hubungan antara waktu sinter dengan porositas berbanding terbalik. Semakin besar waktu

sinternya maka nilai porositasnya semakin rendah, sebaliknya semakin rendah waktu sinternya

maka nilai porositas kompositnya malah semakin tinggi.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 2 4 6 8

Waktu Tahan Sinter (Jam)

Poro

sita

s (%

)

10% 20%30% 40%

Gambar 4.3. Grafik waktu sinter terhadap porositas komposit laminat hibrid Al/SiC-Al/Al2O3

Pada saat fraksi volume 10 % Vf SiC/10%Vf Al2O3 nilai porositas komposit lamina

isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 yang tertinggi adalah 17 % sedangkan nilai porositas terendah

adalah 7 %. Pada saat holding timenya 2 jam nilai porositasnya adalah 17 %, kemudian ketika

holding timenya meningkat menjadi 4 jam ternyata nilai porositasnya tetap yaitu sebesar 17 %.

Nilai porositas mengalami penurunan ketika holding timenya di buat 6 jam, yaitu mengalami

penurunan sebesar 10 %. Jadi nilai porositas pada saat holding timenya 6 jam adalah 7 %. Jadi

dapat disimpulkan bahwa nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan

temperature sinter 600 º C adalah berbanding terbalik dengan waktu sinter, semakin tinggi

waktu sinter maka nilai porositasnya semakin naik, sebaliknya semakin rendah waktu sinter

maka nilai porositasnya malah semakin tinggi.



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-125

Nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 untuk fraksi volume 20

%VfSiC/20%Vf Al2O3, nilai tertinggi terjadi pada saat holding time 6 jam yaitu sebesar 12 %

dan nilai porositas terendah terjadi saat holding timenya berada di 2 jam dan 4 jam yaitu sebesar

5 %. Pada saat holding timenya 2 jam nilai porositasnya sebesar 5 %, kemudian ketika holding

timenya 4 jam ternyata nilai porositasnya konstan yaitu tetap 5 %. Nilai porositasnya

mengalami peningkatan ketika holding timenya 6 jam yaitu mengalami peningkatan sebesar 7

%. Jadi nilai porositasnya pada saat holding timenya 6 jam adalah 12 %. Jadi dapat disimpulkan

bahwa nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan fraksi volume 20 %

dan temperature sinter 600 º C adalah sebanding atau berbanding lurus dengan waktu sinter,

artinya semakin tinggi waktu sinter maka nilai porositasnya juga semakin besar, tetapi

sebaliknya semakin rendah waktu sinter maka nilai porositasnya juga semakin kecil.

Untuk fraksi volume 30 %Vf SiC/30Vf Al2O3, nilai porositas komposit lamina isotropik

Al/SiC-Al/Al2O3 tertinggi terjadi ketika holding timenya 2 jam dan terendah terjadi saat

holding timenya 6 jam. Pada saat holding timenya 2 jam nilai porositasnya sebesar 10 %,

kemudian ketika holding timenya naik ke 4 jam nilai porositasnya sebesar 7 % sehingga

mengalami penurunan nilai porositas sebesar 3 %. Nilai porositas komposit lamina isotropik

Al/SiC-Al/Al2O3 mengalami penurunan lagi ketika holding timenya berada di 6 jam yaitu

nilainya sebesar 4 % sehingga mengalami penurunan sebesar 3 %. Jadi nilai porositas

mengalami penurunan konstan sebesar 3 % untuk setiap kenaikan holding time. Maka dapat

disimpulkan bahwa nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan fraksi

volume 30 % dan temperature sintering 600 º C berbanding terbalik dengan holding time,

semakin tinggi nilai holding time maka nilai porositasnya semakin turun dan sebaliknya

semakin rendah nilai holding time maka nilai porositasnya semakin tinggi.

Terakhir adalah fraksi volume 40 %Vf SiC/40%Vf Al2O3, untuk fraksi volume ini nilai

porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 tertinggi terjadi pada saat holding time 2

jam dan 4 jam, sedangkan nilai porositas terendah terjadi pada saat holding timenya 6 jam. Pada

saat holding timenya 2 jam nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 sebesar 6

%, kemudian ketika holding timenya dinaikkan menjadi 4 jam ternyata nilai porositasnya

konstan yaitu sebesar 6 %. Jadi nilai porositas tidak mengalami kenaikan maupun penurunan.

Nilai porositas komposit ini mengalami penurunan ketika holding timenya dinaikkan menjadi 6

jam, yaitu nilai porositasnya sebesar 3 % sehingga mengalami penurunan sebesar 3 %. Maka

dapat disimpulkan bahwa nilai porositas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan

fraksi volume 40 % dan temperature sintering 600 º C berbanding terbalik dengan holding time.

Semakin tinggi nilai holding timenya maka nilai porositasnya semakin rendah dan sebaliknya

semakin rendah nilai holding timenya maka nilai porositasnya semakin tinggi.



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-126

Berdasarkan hasil analisa nilai densitas komposit lamina isotropik Al/SiC-Al/Al2O3

untuk fraksi volume SiC dan Al2O3 di buat tetap 10%, 20 %, 30% dan 40 %dengan temperature

600 ° C dapat disimpulkan bahwa nilai porositas berbanding terbalik dengan waktu sinter,

semakin besar waktu sinter maka nilai porositasnya semakin turun, akan tetapi sebaliknya

semakin rendah waktu sinter maka nilai porositasnya malah semakin naik. Waktu tahan

sintering ini sangat mempengaruhi penyusutan dan pengurangan porositas pada material

komposit laminat Al/SiC-Al/Al2O3. pengurangan porositas terjadi sepanjang proses sintering.

Pori ada kalanya berbentuk pori terbuka dan ada kalanya menjadi pori tertutup.

Gambar 4.4. Retak yang dipicu oleh porositas terbuka yang terjadi pada derah laminasi

komposit laminat hybrid Al/SiC-Al/Al2O3 10%vf SiC/10%Vf Al2O3, 600oC, Waktu tahan 6 Jam

Gambar 4.4 menunjukkan kegagaln pada derah laminasi berupa retak yang dipicu oleh

porositas terbuka. Meskipun komposit laminat hibrid pada gambar 4.4 ini mendapat perlakuan

waktu tahan sintering 6 jam, namun rendahnya fraksi volume penguat SiC dan Al2O3 juga

memberikan pengaruh. Fraksi volume penguat yang hanya 10% menyebabkan komposit tidak

memiliki kuantitas penguat (SiC/Al2O3) untuk menyerap panas untuk proses difusi sepanjang

sintering. Pori pada daerah laminasi biasanya lebih besar dibandingkan dengan pori pada daerah

antarmuka partikel serbuk. Penyusutan pori merupakan keadaan sintering yang paling penting,

pada keadaan ini material solid ditransportasikani ke dalam pori dan pada saat yang sama gas-

gas yang ada pada permukaan harus dihilangkan. Efek yang dihasilkan pada mekanisme ini



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-127

adalah akan terjadi penurunan volume masa sintering. Pada umumnya pada keadaan akhir

proses sintering akan terjadi isolasi pada pori bentuk bola (spherical pore) pada material.

Sepanjang proses difusi, transport massa atomic sangat tergantung pada driving force

permukaan, sedangkan kedalaman difusi tergantung waktu proses difusi. Pengaruh lamanya

waktu sintering ini dapat diamati dengan memvariabelkan waktu tahan sintering karena waktu

tahan sintering ini berpengaruh terhadap peningkatan densitas dan pengurangan porositas. Nilai

porositas tertinggi yang didapat dari penelitian ini adalah berada pada saat fraksi volumenya 10

% untuk variasi holding time 2 jam dan 4 jam yaitu sebesar 17 %. Sedangkan porositas terendah

terjadi pada fraksi volume 40 % untuk variasi holding time 6 jam yaitu sebesar 3 %.

4.2 Penyusutan (shrinkage) Komposit Laminat Al/Al2O3-Al/SiC

Selisih nilai green density dengan sinter density menyatakan persen penyusutan

(shringkage) akibat menguapnya gas atau lubricant yang terjebak diantara partikel serbuk.

Penyusutan (shrinkage) pori terjadi selama proses sintering. Selisih antara green density dan

sintered density adalah penyusutan pori yang terjadi.

Gambar 4.5 Diagram hubungan antara waktu sinter dan

shrinkage komposit laminat hibrid Al/SiC-Al/Al2O3

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8

Waktu tahan sinter (Jam)

Shrig

kage

10% 20%

30% 40%

Pada gambar 4.5 terlihat bahwa saat fraksi volume 10 % nilai shrinkage komposit laminat

isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 cenderung mengalami penurunan. Nilai shrinkage tertinggi berada

pada waktu sinter 2 jam dan nilai shrinkage terendah berada pada waktu sinter 6 jam. Pada saat

waktu sinter 2 jam nilai shrinkgenya adalah 63 %, kemudian setelah waktu sinter dinaikkan

menjadi 4 jam ternyata nilai shrinkage mengalami penurunan sebesar 2.44 % sehingga nilainya

menjadi 60 %. Pada saat waktu sinter dinaikkan menjadi 6 jam ternyata nilai shrinkage juga



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-128

mengalami penurunan sebesar 0.84 % sehingga nilainya menjadi 59 %. Jadi dapat disimpulkan

bahwa pada saat fraksi volume 10 % nilai shrinkage komposit laminat isotropik Al/SiC-

Al/Al2O3 dengan fraksi volume 10 % dan temperature 600°C berbanding terbalik dengan waktu

sinter, semakin tinggi waktu sinter maka nilai shrinkagenya semakin turun sebaliknya semakin

rendah waktu sinter maka nilai shrinkagenya semakin naik.

Pada gambar 4.6. terlihat terjadinya agglomerasi SiC pada daerah laminasi.

Agglomerasi ini terjadi akibat ketidakhomogenen distribusi penguat sepanjnag proses

pencampuran. Hal ini menyebabkan perbedaan penyerapan termal antara agglomerasi partikel

SiC dan daerah sekita (matrik Aluminium) sehingga memicu terjadinya kegagalan berupa retak

pada derah laminasi komposit laminat hibrid Al/SiC-Al/Al2O3.

Al2O3

Agglomerasi SiC

Gambar 4.6. Agglomerasi partikel SiC yang memicu retak pada dearh laminasi komposit laminat hybrid Al/SiC-Al/Al2O3 40%Vf SiC/40%Vf Al2O3, 600oC, waktu tahan sintering 6 jam

Retak

Nilai shrinkage komposit laminat isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 mengalami kenaikan dan

penurunan pada saat fraksi volume 20 %. Nilai shrinkage tertinggi didapat ketika waktu sinter 4

jam dan nilai terendah berada saat waktu sinter 6 jam. Pada saat waktu sinter 2 jam nilai

shrinkagenya adalah 47 %. Setelah waktu sinter dinaikkan ke 4 jam ternyata nilai shrinkage

mengalami kenaikan sebesar 8.73 % sehingga nilai shrinkagenya menjadi 56 %. Nilai shrinkage

mengalami penurunan ketika waktu sinter dinaikkan ke 6 jam. Penurunan yang terjadi sebesar

10.9 % sehinnga nilai shrinkagenya menjadi 45 %. Jadi dapat disimpulkan bahwa pada saat



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-129

fraksi volume 20 % nilai shrinkage komposit laminat isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan fraksi

volume 20 % dan temperature 600 ° C mengalami kondisi yang tidak konstan artinya nilai

shrinkage terkadang mengalami kenaikan dan terkadang mengalami penurunan. Sehingga

waktu Sinter mempunyai hubungan yang tidak berbanding lurus maupun berbanding terbalik

dengan nilai shrinkage.

Pada saat fraksi volume 30 % nilai shrinkage komposit laminat isotropik Al/SiC-

Al/Al2O3 cenderung mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya waktu sinter. Nilai

shrinkage tertinggi berada saat waktu sinter 2 jam dan nilai shrinkage terendah berada saat

waktu sinter 6 jam. Pada saat waktu sinter 2 jam nilai shrinkagenya adalah 45 %. Nilai

shrinkage mengalami penurunan ketika waktu sinter dinaikkan menjadi 4 jam yaitu sebesar 11.1

% sehingga nilainya menjadi 36 %. Pada saat waktu sinter dinaikkan menjadi 6 jam ternyata

nilai shrinkage juga mengalami penuruna kembali sebesar 46.9 % sehingga nilai shrinkagenya

menjadi 13 %. Ini adalah penurunan nilai shrinkage yang sangat drastis yang mencapai 46.9 %.

Jadi dapat disimpulkan bahwa pada saat fraksi volume 30 % nilai shrinkage komposit laminat

isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan fraksi volume 30 % dan temperatur 600 ° C berbanding

terbalik dengan waktu sinter. Semakin besar waktu sinter maka nilai shrinkagenya semakin

turun, sebaliknya semakin kecil waktu sinter maka nilai shrinkagenya semakin tinggi.

Fraksi volume terakhir adalah 40 %. Pada saat fraksi volume 40 % ini nilai shrinkage

komposit laminat isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 juga cenderung mengalami penurunan seiring

dengan bertambahnya waktu sinter. Nilai shrinkage tertinggi terjadi pada saat waktu sinter 2 jam

dan nilai shrinkage terendah terjadi ketika waktu sinter berada pada 6 jam Pada saat waktu

sinter 2 jam nilai shrinkagenya adalah 60 %. Setelah waktu sinter dinaikkan menjadi 4 jam

ternyata nilai shrinkage mengalami penurunan sebesar 6.2 % sehingga nilai shrinkagenya

menjadi 53 %. Penurunan nilai shrinkage terjadi kembali ketika waktu sinter dinaikkan menjadi

6 jam . setelah nilai shrinkage dinaikkan menjadi 6 jam ternyata nilai shrinkage mengalami

degradasi sebesar 3 % sehingga nilai shrinkagenya menjadi 50 %. Jadi dapat disimpulkan

bahwa nilai shrinkage komposit laminat isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 dengan fraksi volume 40 %

dan temperature 600 °C berbanding terbalik dengan waktu sinter. Semakin tinggi waktu sinter

maka nilai shrinkagenya semakin turun, sebaliknya semakin rendah waktu sinter maka nilai

shrinkagenya malah semakin naik.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa nilai shrinkage komposit laminat isotropik

Al/SiC-Al/Al2O3 dengan temperatur sinter 600 º C berbanding terbalik dengan waktu sinter.

Semakin tinggi waktu sinter maka nilai shrinkagenya semakin rendah, sebaliknya semakin

rendah waktu sinter maka nilai shrinkagenya semakin tinggi. Nilai shrinkage komposit laminat

isotropik Al/SiC-Al/Al2O3 tertinggi terjadi pada fraksi volume 10 % dengan waktu sinter 2 jam



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-130

yaitu nilai shrinkagenya sebesar 63 %, sedangkan nilai shrinkage terndah terjadi pada saaat

fraksi volume 30 % dengan waktu sinter 6 jam dengan nilai shrinkage sebesar 13 %.

4. KESIMPULAN

1. Densitas pada komposit laminat semakin meningkat seiring dengan bertambahnya fraksi

volume penguat (SiC/Al2O3) dan waktu tahan sintering. Densitas komposit laminat hibrid

maksimal terjadi pada waktu tahan sinter 6 jam dengan fraksi volume SiC/Al2O3 40 %

yaitu sebesar 2.90 gr/cm3, sedangkan densitas terendah terjadi saat waktu tahan sinter 2

jam dengan fraksi volume SiC/Al2O3 10 % yaitu sebesar 2.30 gr/cm3.

2. Porositas komposit laminat pada daerah interface semakin kecil seiring dengan

bertambahnya waktu tahan sinter. Porositas tertingi terjadi pada saat fraksi volumenya

SiC/Al2O3 10 % untuk variasi waktu tahan 2 jam dan 4 jam yaitu sebesar 17 %.

Sedangkan porositas terendah terjadi pada saat fraksi volumenya 40 % untuk variasi

waktu tahan 6 jam yaitu sebesar 3 %.

3. Nilai shrinkage komposit laminat hibrid Al/SiC-Al/Al2O3 pada daerah antarmuka

berbanding terbalik dengan waktu tahan sinter, nilai tertinggi terjadi pada fraksi volume

SiC/Al2O3 10 % dengan waktu sinter 2 jam yaitu nilai shrinkagenya sebesar 63 %,

sedangkan nilai shrinkage terendah terjadi pada saaat fraksi volume 30 % dengan waktu

sinter 6 jam dengan nilai shrinkage sebesar 13 %.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian ini didanai dari Direktorat Pendidikan Tinggi dalam program Hibah Bersaing

XV/ 2007 yang berjudul Rekayasa Daerah antarmuka Komposit lamina Isotropik Al/SiC-

Al/Al2O3 untuk meningkatkan Derajat Laminasi Komposit.

DAFTAR PUSTAKA

Arifin, M, 2002. Pengaruh Variabel Fraksi Volume Al2O3 Terhadap Modulus Young Komposit Al- Al2O3. Tugas Akhir, Fisika FMIPA ITS.

Chandrawan, David, dan Ariati, Myrna. Metalurgi Serbuk: Teori dan Aplikasi. Jilid 1. Jakarta. Evans,J. R. G., Fan,Z., Peng.H.X., 2000.“Bi-Continous Metal Matrix Composites”.Journal

Material Science and Engineering. Elsevier Science A303, 37-45. Gibson , Ronald F. 1994. Principles of Composite Material Mechanics. Singapore: McGraw-

Hill.



ISBN : 978-979-1165-74-7 V-131

Hall, C.M.: Process of reducing aluminium from its fluoride salts by electrolysis. US < URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium.htm>

Indrawati, 2002 .Pengaruh Variabel Temperatur Sintering terhadap kekerasan Komposit Al-

Mg–Si.Tugas Akhir, FISIKA FMIPA ITS. Smallman, R.E., and Bishop R.J. 2006. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material. Edisi

IV. Jakarta: Erlangga. Widyastuti dan Zainuri, Mohammad. 20 – 22 Maret 2001. ”Pengaruh Perubahan Tekanan Pada

Pembuatan Komposit Serbuk Al-SiC Terhadap Modulus Young Komposit”. Simposium Nasional Mahasiswa Fisika Indonesia.

Widyastuti.2002.”Identifikasi Bentuk Partikel Berdasarkan Nilai Anisometri dan Bulkines”.

Tugas Akhir. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. Widyastuti, Dedi Priadi, Analisa mikrostruktur daerah laminasi Komposit Lamina Isotropik

Al/SiC-Al/Al2O3, Laporan Penelitian UI, 2007

http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium.htm

STRUKTUR MIKRO DAERAH LAMINASI KOMPOSIT …vendy17.blog.uns.ac.id/files/2010/04/struktur-mikro-daerah-laminas... · Bahan komposit berbasis metalurgi serbuk merupakan salah satu solusi

Documents