Aging

PRECIPITATION HARDENING OF ALUMUNIUM ALLOY (Al-Cu)

Abstrak Artikel ini menyajikan langkah dan pengertian dari precipitation hardening. Tujuan dari precipitation hardening adalah untuk meningkatkan kekuatan luluh bahan lunak, termasuk sebagian besar paduan struktural aluminium, magnesium, nikel, titanium, dan beberapa baja dan baja tahan karat. Proses perlakuan panas pada alumunium alloy (Al-Cu), dengan tujuan dapat mengetahui perubahan fasa. Setelah proses penuaan mencapai puncak (peak aged), kemudian diamati dan kendalikan supaya tidak masuk ke daerah over aged. Apabila setelah mencapai peak aged (puncak penuaan) waktu artificial aging masih ditambah lagi maka akan masuk dalam daerah over aged. Pada daerah over aged ini akan didapatkan fasa ϴ, jika fasa ϴ ini terbentuk maka akan menyebabkan paduan alumunium menjadi lunak kembali dan berkurang kekerasannya. Sehingga tujuan dari proses perlakuan panas pada Alumunium paduan tidak tercapai.

Kata kunci: Aluminium alloy, Aging, Presipitation hardening, peak aged, dan over aged.

1

Pendahuluan Pengerasan presipitasi, juga disebut pengerasan penuaan (Age hardening) atau pengerasan partikel, adalah teknik perlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan luluh bahan lunak, termasuk sebagian besar paduan struktural aluminium, magnesium, nikel, titanium, dan beberapa baja dan baja tahan karat. Dalam superalloy, diketahui menyebabkan anomali kekuatan luluh menghasilkan kekuatan temperatur tinggi yang sangat baik. Dalam hal ini sebagi contohnya adalah pada paduan alumunium. 2

Proses perlakuan panas Heat treatment merupakan suatu proses pemanasan dan pendinginan yang terkontrol, dengan tujuan mengubah sifat fisik dan sifat mekanis dari suatu bahan atau logam sesuai dengan yang dinginkan. (Kamenichny, 1969: 74). Proses heat treatment meliputi heating, colding, dan cooling. Adapun tujuan dari masing-masing proses yaitu :   

Heating : proses pemanasan sampai temperatur tertentu dan dalam periode waktu. Tujuannya untuk memberikan kesempatan agar terjadinya perubahan struktur dari atomatom dapat menyeluruh. Holding : proses penahanan pemanasan pada temperatur tertentu, bertujuan untuk memberikan kesempatan agar terbentuk struktur yang teratur dan seragam sebelum proses pendinginan. Cooling : proses pendinginan dengan kecepatan tertentu, bertujuan untuk mendapatkan struktur dan sifat fisik maupun sifat mekanis yang diinginkan.

3

Langkah-langkah melakukan pengerasaan penuaan pada alumunium alloy Logam fcc murni seperti Al memiliki kekuatan luluh yang rendah karena tegangan yang diperlukan untuk memindahkan dislokasi adalah kecil. Salah satu metode penguatan paduan adalah melalui reaksi pengendapan. Pengerasan presipitasi adalah proses pengerasan atau penguatan suatu paduan dengan mengendapkan endapan yang terdispersi halus dari zat terlarut dalam matriks yang jenuh. Proses ini melibatkan tiga langkah dasar berikut: 3.1

Solution heat treatment Langkah pertama adalah Solution heat treatment atau homogenisasi. Gambar 3.1 mengilustrasikan fenomena ini. Selama tahap ini, paduan komposisi X1 dipanaskan sampai suhu T1, antara suhu solvus dan solidus dan direndam di sana sampai semua zat terlarut larut ke dalam fasa α dan struktur larutan padat seragam dihasilkan. 3.2

Quenching Langkah kedua adalah quenching. Quenching hanya mendinginkan sampel dengan cepat ke suhu yang lebih rendah, T3, biasanya suhu kamar, dan media pendingin biasanya air pada suhu kamar. Selama quenching, zat terlarut tidak dapat langsung menyebar keluar dari fase dan alloy dikatakan jenuh. Dasar pemikiran di balik proses pendinginan adalah untuk mempertahankan struktur larutan padat seragam dari paduan di bawah suhu homogenisasi. 3.3

Aging Langkah terakhir dalam proses precipitation hardening adalah penuaan. Ini adalah proses presipitatasi presipitat yang tidak koheren dari larutan padat yang jenuh. Ketika penuaan terjadi pada suhu kamar, itu disebut penuaan alami. Penuaan di atas suhu ruangan disebut penuaan buatan.

Gambar 3.1. Diagram fasa biner untuk dua logam A dan B memiliki larutan padat terminal yang memiliki penurunan kelarutan padat B dalam A dengan penurunan suhu . 4

Paduan Aluminium Curum (Al-Cu) Untuk menjelaskan mekanisme terjadinya pengerasan, sebagai contoh diambil untuk diagram fase Al-Cu. Dari diagram tampak bahwa kelarutan Cu dalam Al menurun dengan menurunnya temperatur. Suatu paduan dengan 4 % Cu mulai membeku di titik 1 dengan membentuk dendrit larutan padat a. Dan pada titik 2 seluruhnya sudah membeku menjadi larutan padat a dengan 4 %

Cu. Pada titik 3 kelarutan Cu dalam Al mencapai batas jenuhnya, bila temperaturnya diturunkan akan ada Cu yang keluar dari larutan padat a berupa CuAl2. Makin rendah temperaturnya makin banyak Cu-Al yang keluar. Pada gambar struktur mikro Al-Cu tampak partikel CuAl tersebar didalam matriks a.

Gambar 4.1 Diagram fasa perubahan mikrostruktur padual Al-Cu Sumber : William K.Dalton:259

4.1

Tahap Perlakuan Panas Pelarutan ( Solution Heat Treatment ) Tahap pertama dalam proses age hardening yaitu solution heat treatment atau perlakuan panas pelarutan. Solution heat treatment yaitu pemasan logam aluminium dalam dapur pemanas dengan temperatur 550 0C-560 0C dan dilakukan penahanan atau holding sesuai dengan jenis dan ukuran benda kerja (Schonmetz, 1990). pada tahap solution heat treatment terjadi pelarutan fasafasa yang ada, menjadi larutan padat. Tujuan dari solution heat treatment itu sendiri yaitu untuk mendapatkan larutan padat yang mendekati homogen. Proses solution heat treatment dapat dijelaskan dalam gambar 4.2 dimana logam paduan alumunium pertama kali dipanaskan dalam dapur pemanas hingga mencapai temperatur T1. Pada temperatur T1 fase logam paduan alumunium akan berupa kristal campuran α dalam larutan padat. Pada temperatur T1 tsb. pemanasan ditahan beberapa saat agar didapat larutan padat yang mendekati homogeny

Gambar 4.2 Diagram fasa pemanasan logam paduan 4.2

Tahap Pengejutan Pendinginan ( Quenching ) Quenching dilakukan dengan cara mendinginkan logam yang telah dipanaskan dalam dapur pemanas kedalam media pendingin. Pendingin dilakukan secara cepat, dari temperatur pemanas ( 505 0C) ke temperature yang lebih rendah, pada umumnya mendekati temperatur ruang. Tujuan dilakukan quenching adalah agar larutan padat homogen yang terbentuk pada solution heat treatment dan kekosongan atom dalam keseimbangan termal pada temperatur tinggi tetap pada tempatnya. Pada tahap quenching akan menghasilkan larutan padat lewat jenuh (Super Saturated Solid Solution) yang merupakan fasa tidak stabil pada temperatur biasa atau temperatur ruang. Pada proses quenching tidak hanya menyebabkan atom terlarut tetap ada dalam larutan, namun juga menyebabkan jumlah kekosongan atom tetap besar. Adanya kekosongan atom dalam jumlah besar dapat membantu proses difusi atom pada temperatur ruang untuk membentuk Zona-GuinierPreston (Zona GP). Zona Guinier-Preston (Zona GP) adalah kondisi didalam paduan dimana terdapat agregasi atom padat atau pengelompokan atom padat. (Tata Surdia dan Shinroku Saito, 1992). Tahap Penuaan ( Aging ). Setelah solution heat treatment dan quenching tahap selanjutnya dalam proses age hardening adalah aging atau penuaan. Perubahan sifat-sifat dengan berjalanya waktu pada umumnya dinamakan aging atau penuaan. Aging atau penuaan pada paduan aluminium dibedakan menjadi dua, yaitu penuaan alami ( natural aging ) dan penuaan buatan (artificial aging ). Penuaan alami ( natural aging ) adalah penuaan untuk paduan aluminium yang di age hardening dalam keadaan dingin. Natural aging berlangsung pada temperatur ruang antara 15 0C - 25 0C dan dengan waktu penahanan 5 sampai 8 hari. Penuaan buatan ( artifical aging ) adalah penuaan untuk paduan aluminium yang di age hardening dalam keadaan panas. Artifical aging berlangsung pada temperatur antara 100 0C – 200 0C dan dengan lamanya waktu penahanan antara 1 sampai 24 jam. (Schonmetz, 1990). Pada tahap artificial aging dalam proses age hardening dapat dilakukan beberapa variasi perlakuan yang dapat mempengaruhi hasil dari proses age hardening. Salah satu variasi tersebut adalah variasi temperatur artificial aging. Temperatur artificial aging dapat ditetapkan pada temperatur saat pengkristalan paduan alumunium (150 0C), di bawah temperatur pengkristalan atau di atas temperatur pengkristalan logam paduan alumunium.(Schonmetz,1990). Penuaan buatan (artificial aging) berlangsung pada suhu antara 100 0C – 200 0C. Pengambilan temperatur artificial aging pada temperatur antara 100 0C-200 0C

akan berpengaruh pada tingkat kekerasan sebab pada proses artificial aging akan terjadi perubahan-perubahan fasa atau struktur. Perubahan fasa tersebut akan memberikan sumbangan terhadap pengerasan. Urut-urutan perubahan fasa dalam proses artificial aging adalah sebagai berikut : 4.2.1 Larutan Padat Lewat Jenuh (Super Saturated Solid Solution α) Setelah paduan alumunium melawati tahap solution heat treatmen dan quenching maka akan didapatkan larutan padat lewat jenuh pada temperatur kamar. Pada kondisi ini secara simultan kekosongan atom dalam keseimbangan termal pada temperatur tinggi tetap pada tempatnya. Setelah pendinginan atau quenching, maka logam paduan alumunium menjadi lunak jika dibandingkan dengan kondisi awalnya. 4.2.2 Zona [GP 1] Zona [GP 1] adalah zona presipitasi yang terbentuk oleh temperatur penuaan atau aging yang rendah dan dibentuk oleh segregasi atom Cu dalam larutan padat lewat jenuh atau super saturated solid solution α .( Smith, 1995) Zona [GP 1] akan muncul pada tahap mula atau awal dari proses artificial aging. Zona ini terbentuk ketika temperatur artificial aging dibawah 100 0C atau mulai temperatur ruang hingga temperatur 100 0C dan Zona [GP 1] tidak akan terbentuk pada temperatur artificial aging yang terlalu tinggi. Terbentuknya Zona [GP 1] akan mulai dapat meningkatkan kekerasan logam paduan alumunium (Smith, 1995). Jika artificial aging ditetapkan pada temperatur 100 0C, maka tahap perubahan fasa hanya sampai terbentuknya zona [GP 1] saja. Proses pengerasan dari larutan padat lewat jenuh sampai terbentuknya zona [GP 1] biasa disebut dengan pengerasan tahap pertama. 4.2.3 Zona [GP 2] atau Fasa ϴ” Setelah temperatur artificial aging melewati 100 0C ke atas, maka akan mulai muncul fasa ϴ” atau zona [GP 2]. Pada temperatur 130 0C akan terbentuk zona [GP2] dan apabila waktu penahanan artificial agingnya terpenuhi maka akan didapatkan tingkat kekerasan yang optimal (Smith, 1995). Biasanya proses artificial aging berhenti ketika sampai terbentuknya zona [GP 2] dan terbentuknya fasa antara yang halus (presipitasi ϴ”), karena setelah melewati zona [GP 2] maka paduan akan kembali menjadi lunak kembali. Jika proses artificial aging berlangsung sampai terbentuknya fasa ϴ” atau zona [GP 2], maka disebut dengan pengerasan tahap kedua. Gambar 4.4. menunjukkan terbentuknya kembali fasa keseimbangan pada proses aging aluminium tembaga (Al-Cu) sehingga paduan akan kembali ke fasa awal yaitu θ. 4.2.4 Fasa ϴ’ Kalau paduan alumunium dinaikan temperatur aging atau waktu aging diperpanjang tetapi temperaturnya tetap, maka akan terbentuk presipitasi dengan struktur kristal yang teratur yang berbeda dengan fasa ϴ’. Fasa ini dinamakan fasa antara atau fasa ϴ’. Terbentuknya fasa ϴ’ ini masih dapat memberikan sumbangan terhadap peningkatan kekerasan pada paduan alumunium. Peningkatan kekerasan yang terjadi pada fasa ϴ’ ini berjalan sangat lambat. 4.2.5 Fasa ϴ Apabila temperatur dinaikan atau waktu penuaan diperpanjang, maka fasa ϴ’ berubah menjadi fasa ϴ. Jika fasa ϴ terbentuk maka akan menyebabkan paduan aluminium kembali menjadi lunak. Sementara waktu penahanan dalam artificial aging merupakan salah satu komponen yang dapat mempengaruhi hasil dari proses age hardening secara keseluruhan. Seperti halnya temperatur, waktu penahanan pada tahap artificial aging akan mempengaruhi perubahan

struktur atau perubahan fasa paduan alumunium. Sehingga pemilihan waktu penahan artificial aging harus dilakukan dengan hati-hati.

Gambar 4.3 Urutan perubahan fasa dalam poses artificial aging Hubungan antara waktu (aging) dengan kekerasan paduan aluminium diawali oleh proses perubahan fasa yang terbentuk pada proses precipitation hardening dimana fasa berawal dari supersaturated solute solution, setelah proses quenching. Kemudian paduan akan mengalami penuaan atau munculnya presipitat baru seiring bertambahnya waktu, Hubungan antara waktu (aging) dengan kekerasan dapat dilihat pada gambar 4.5

Gambar 4.4 (a) Supersaturated solute solution, (b) fasa Ꝋ’’ mulai terbentuk precipitate (Al-Cu), (c) fasa keseimbangan Ꝋ Al-Cu

Gambar 4.5 Waktu aging versus kekuatan dan kekerasan paduan alumunium (Smith, 1995) Dalam kurva penuaan tersebut, pada awal-awal tahap artificial aging struktur atau fasanya masih berupa larutan padat lewat jenuh (Super Saturated Solid Solution). Seiring dengan penambahan waktu penuaan atau ketika penuaan sampai di daerah under aged, maka mulai

terbentuk zona presipitat zona [GP 1] dan paduan aluminium menjadi agak kuat dan keras. Ketika waktu aging ditambah lagi maka akan masuk dalam daerah peak aged. Pada daerah peak aged presipitat mengumpul atau mulai terbentuk zona [GP2] dan fasa antara yang halus (fasa ϴ’). Jika fasa-fasa tersebut mulai terbentuk maka akan didapatkan tingkat kekerasan dan kekuatan logam paduan alumunium yang optimal. Apabila setelah mencapai peak aged (puncak penuaan) waktu artificial aging masih ditambah lagi maka akan masuk dalam daerah over aged. Pada daerah over aged ini akan didapatkan fasa ϴ, jika fasa ϴ ini terbentuk maka akan menyebabkan paduan alumunium menjadi lunak kembali dan berkurang kekerasannya (Smith, 1995). 5

Daftar pustaka Djuana, Yiyi Komar. Pengaruh Temperatur Aging terhadap kekuatan mekanik paduan Al-Cu 2024 untuk komponen teleskop peluncur roket. Puslitbang LIPI, Jakarta, Indonesia, 2002. Majanasastra, R. Bagus Suryasa.Pengaruh variable waktu(aging heat treatment) terhadap peningkatan kekerasan permukaan dan struktur mikro kepala piston sepeda motor honda vario. Universitas Islam 45 Bekasi