Pengaruh Komposisi Cu pada Paduan Al-Si-Cu dengan Metode Pembekuan Searah Terhadap Struktur Mikro, Kekerasan, Primary dan Secondary Dendrite Arm Spacing

AGUS DWI ISKANDAR, Dr. Suyitno, S.T., M.Sc

2015 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Kebutuhan akan produk industri dengan spesifikasi dan tujuan tertentu mengharuskan manusia untuk menemukan metode perbaikan sifat logam yang lebih baik. Sifat logam diperbaiki dengan memodifikasi struktur mikro. Logam dengan struktur mikro kolumnar dapat meningkatkan nilai kekerasan, mampu creep yang baik serta tahan terhadap beban aksial pada temperatur tinggi. Struktur mikro kolumnar dapat dibentuk dengan pembekuan searah (unidirection solidification), dimana dalam proses ini pertumbuhan butir diarahkan searah dengan aliran kalor. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh komposisi Cu pada proses pembekuan searah paduan Al-Si-Cu terhadap pembentukan struktur mikro, sifat mekanis kekerasan, primary dan secondary dendrite arm spacing. Sampel paduan Al-Si-Cu dengan kosentrasi Cu 1,17, 1,66, 2,14 dan 2,77wt%Cu dilebur dalam tungku listrik kemudian dicetak dalam cetakan pipa baja tahan karat yang tipis dengan diameter dalam 8,7 mm, diameter luar 9 mm dan panjang 65 mm. Selanjutnya sampel dibekukan dalam tungku listrik yang dilengkapi sistem pembekuan searah secara vertikal melalui pendingin logam yang didinginkan dengan air dan dipasang pada bagian bawah cetakan, dengan laju pendinginan konstan 3,4 dan 9,2 mikrometer per detik pada gradien suhu 0,01-9,1 derajat celcius/mm. Termokopel tipe K dipasang pada tiga jarak yang berbeda dari 10-25 mm, 25-40 mm, dan 40-65 mm dari permukaan pendingin logam untuk mengukur temperatur selama pembekuan searah. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kosentrasi Cu pada paduan Al-Si-Cu berpengaruh terhadap struktur mikro dendrit kolumnar pada pembekuan searah vertikal. Struktur mikro dendrit kolumnar yang lebih halus dan seragam terlihat pada paduan Al-5,29Si-2,77Cu. Pada paduan Al-4,78Si-1,17Cu, Al-5,38Si-1,66Cu, dan Al-5,38Si-2,14Cu primary dan secondary dendrite arm spacing lebih besar. Kosentrasi Cu juga berpengaruh pada nilai kekerasan. Nilai kekerasan semua paduan meningkat setelah dilakukan proses pembekuan searah. Nilai kekerasaan tertinggi terdapat pada paduan Al-5,29Si-2,77Cu, dengan laju pendingin 3,4 mikrometer per detik dan tebal pendingin 10 mm. Nilai kekerasaan paduan Al-5,29Si-2,77Cu meningkat 13,51 % dari paduan awal sebesar 77,87 VHN menjadi 90,04 VHN. Nilai terendah primary dan secondary dendrite arm spacing ini terjadi pada paduan Al-5,29Si-2,77Cu dengan laju pendinginan 3,4 mikrometer per detik dan tebal pendingin 1 mm. Paduan Al-5,29Si-2,77Cu nilai primary adalah 115 mikrometer dan secondary dendrite arm spacing 42,2 mikrometer.

A demand of products with certain specifications and purposes requires human efforts to find improvement method of a better metal properties. The proprties can be improved by modifying the microstructure. Metals with columnar microstructure can improve the hardness. creep properties and the axial loaded strength at high temperatures. The columnar microstructure can be formed by unidirectional solidification. in which the grain growth is directed in the heat flow direction. This study aims to determine the effects of Cu composition in Al-Si-Cu alloy on the unidirectional solidification of the microstructure formation the hardness mechanical properties, and the primary and secondary dendrite arm spacing. In the research methodology. the samples of Al-Si-Cu alloy with 1.17, 1.66, 2.14 and 2.77wt%Cu was melted in an electric furnace and poured in the thin mold stainless steel pipes with 8.7 mm of inner diameter, 9 mm of outer diameter and 65 mm of length. Furthermore. the samples were solidified in an electric furnace and equipped with vertically unidirectional solidification system through a metal cooling that was cooled by water and mounted on the bottom of the mold with 3.4 and 9.2 micrometer per sec constant solidification rates at 0.01 to 9.1 celcius degrees per mm temperature gradient. K-type thermocouples were mounted at distances of 10-25 mm. 25-40 mm. and 40-65 mm from the mold surface to measure the temperatures during the process. The results show that the Cu concentration in the Al-Si-Cu alloy affects the columnar dendrite microstructure in the vertical unidirectional solidification. The finer and uniform columnar dendrite microstructure is shown in the Al-5.29Si-2.77Cu alloy. The higher primary and secondary dendrite arm spacing are in the Al-4.78Si-1.17Cu, Al-5.38Si-1.66Cu and Al-5.38Si-2.14Cu. The Cu concentration also affects the hardness. Furthermore, the hardness increases after it is treated by the unidirectional solidification. The maximum hardness is obtained in Al-5.29Si-2.77Cu alloy with 3.4 2 micrometer per sec cooling rate and 10 mm cooling thickness. The hardness value of Al-5.29Si-2.77Cu alloy increases up to 13.51% from its initial alloy, i.e. from 77.87 VHN to 90.04 VHN. Meanwhile, the lowest value of the primary and secondary dendrite arm spacing was in Al-5.29Si-2.77Cu alloys with 3.4 2 micrometer per sec solidification rate and 1 mm cooling thickness. Furthermore, Al-5.29Si-2.77Cu alloy has 115 micrometer and 42.2 micrometer primary and secondary dendrite arm spacing respectively.

Kata Kunci : dendrit, kolumnar, paduan Al-Si-Cu, pembekuan searah, struktur mikro