Pelunakan Logam Paduan AlMgSi Melalui Annealing

aneHadijaya, Alumni Prodi Pendidikan Kimia FKIP UT UPBJJ Jakarta

Abstrak
Telah dilakukan pelunakan AlMgSi melalui proses perlakuan panas atau Annealing (anil) dengan maksud agar AlMgSi dapat dimanfaatkan sebagai pengganti AlMg2. Penelitian dilakukan dengan batasan pengujian kekerasan mikro terhadap AlMgSi sebelum anil maupun setelah anil. Kekerasan mikro AlMg2 adalah 46,36 HVN atau lebih lunak dari pada AlMgSi sebelum mendapat perlakuan (80,98 HVN). AlMgSi hasil anil dikomparasi terhadap kekerasan AlMg2. Parameter anil adalah pemanasan pada suhu 400C, 500C, dan 600C dengan waktu 60 menit, 180 menit, dan 300 menit serta diikuti dengan solidifikasi secara atmosferik maupun solidifikasi di dalam tungku. Berdasarkan penelitian disimpulkan bahwa anil selama 60 menit pada suhu 500C diikuti pendinginan atmosferik ternyata menghasilkan pelunakan mencapai 43,06 HVN atau setara dengan 46,82% softening dan merupakan parameter yang paling sesuai untuk pelunakan AlMgSi agar mendekati kekerasan AlMg2. Parameter lain yang memungkinkan agar AlMgSi dapat dilunakkan sehingga kekerasannya setara dengan AlMg2 adalah jika anil dilakukan selama 60 menit pada suhu 525C; atau selama 180 menit pada suhu 547C; atau selama 300 menit pada suhu 536C.
Kata kunci : Paduan AlMgSi dan AlMg2, Annealing (Anil), Pelunakan, Kekerasan mikro

Pendahuluan
Kelongsong bahan bakar nuklir harus memenuhi persyaratan khusus seperti sifat mekanik yang baik, ketahanan korosi sifat fisis dan kimia yang memadai serta mempunyai sifat penyerap neutron yang rendah[1]. Sifat thermal kapasitas panas merupakan parameter penting sebagai persyaratan untuk bahan kelongsong.
Paduan AlMg memiliki ketahanan korosi yang sangat baik, dan sejak dulu dikenal dengan sebutan Hidronalium. Adanya Cu dan Fe memberi dampak negatif pada ketahanan korosi sehingga perlu pencegahan terhadap tercampurnya unsur pengotor pada saat proses pembuatan. Paduan dengan 2-3% Mg memiliki sifat mudah ditempa, dirol dan ekstruksi. Paduan AlMg yang dikenal misalnya paduan 5052, paduan 5056 dan paduan 5083.
Paduan Al-Mg-Si dikenal sebagai paduan 5053, paduan 6063 dan paduan 6061. Kelebihan dari paduan ini yaitu: sangat liat, mampu dibentuk dengan penempaan pada temperatur biasa, mampu dibentuk dengan baik melalui ekstrusi serta tahan terhadap korosi. Paduan dalam sistem ini mempunyai kekuatan yang baik namun tanpa hantaran listrik, maka cocok pula digunakan sebagai bahan kabel rumah tangga. Oleh karena itu pada saat proses pembuatan AlMgSi perlu dihindari tercampurnya unsur Cu, Fe dan Mn karena unsure-unsur ini menyebabkan tahanan listrik menjadi tinggi.
Paduan aluminium merupakan logam ringan yang umum digunakan dalam bidang konstruksi dan trasnportasi. Paduan aluminium juga digunakan dalam industri nuklir sebagai bahan komponen struktur dan kelongsong elemen bakar nuklir. Kelongsong berfungsi sebagai pembungkus bahan bakar yang harus memiliki kekuatan dan ketahanan yang memadai untuk mengungkung bahan bakar dan produk fisi. Penggunaan paduan alumunium didasari pada sifat-sifat yang dimilikinya memenuhi persyaratan sebagai bahan kelongsong, seperti sifat neutronik, sifat fisik, sifat termal, sifat mekanik dan densitas yang relative tinggi akan meningkatkan burn-up yang tinggi pula[2].
Saat ini sebagai bahan kelongsong yang digunakan dalam industri nuklir di Indonesia untuk elemen bahar di RSG-GA Siwabessy adalah AlMg2 dan AlMgSi1 dengan angka muat uranium 2,96 mg/cm3, sedangkan dalam perkembangannya diperlukan penelitian bahan kelongsong untuk bahan bakar dengan tingkat muat tinggi. Kelongsong elemen bakar nuklir berfungsi untuk mengungkung keluarnya bahan nuklir dan hasil fisi ke pendingin primer yang terjadi saat reaksi nuklir di reaktor.
Pembentukan Kristal logam agar sel satuan memiliki orientasi yang mendekati arah tertentu dapat dilakukan dengan cara deformasi, misalnya paduan AlMgSi dianil pada waktu dan suhu tertentu. Sebagai bahan struktur yang memiliki kekuatan mekanik lebih tinggi dari AlMg2 maka pada percobaan ini AlMgSi dikenai proses anil guna menurunkan kekerasannya hingga menyamai kekerasan AlMg2. Inisiatif dilakukan guna dapat memanfaatkan AlMgSi yang cadangannya masih sangat banyak sebagai pengganti AlMg2 yang semakin berkurang agar kelangkaan tersebut teratasi.
Penelitian ini dilakukan dengan batasan pengujian kekerasan mikro terhadap AlMgSi dan AlMg2 sebelum perlakuan maupun setelah perlakuan. Percobaan dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui kemungkinan softening (pelunakan) melalui proses anil sehingga AlMgSi dapat dimanfaatkan sebagai pengganti AlMg2.

Tinjauan Teori
Aluminium adalah logam lunak dan ulet dengan struktur kubus pusat muka (FCC) yang mempunyai sifat tahan korosi, sifat penghantar listrik dan panas yang baik[3]. Paduan aluminium memiliki kekuatan yang memadai dan sifat termal yang baik. Kekuatan tersebut merupakan hasil pembentukan larutan padat substitusional yang menggantikan kedudukan atom Al oleh atom Mg dan Si. Pembentukan larutan padat menimbulkan medan tegangan di sekitar atom yang tersubstitusi[4].
Orientasi setiap butir berbeda dengan yang lain, orientasi bidang slip pada butir-butir juga akan berbeda-beda. Sebagai akibatnya pergerakan dislokasi akan terhambat. Gerakan dislokasi yang akan menyebrangi batas butir memerlukan tegangan yang lebih besar sehingga dengan dmeikian batas butir akan menjadi penghalang dan penghambat gerakan dislokasi. Butir yang semakin cenderung akan semakin memperbanyak batas butir. Batas butir yang banyak akan mengakibatkan gerakan dislokasi semakin sukar karena semakin banyak rintangan.
Pengerasan presipitasi ini akan menurun kekuatannya bila mengalami suhu overaging. Penguatan logam tanpa pengaruh suhu overaging dapat dilakukan dengan metode dispersi. Distribusi presipitat dalam bentuk partikel endapan fasa kedua ini menimbulkan tegangan Dalam (internal Stress). Tegangan yang ditimbulkan semakin besar sehingga mengakibatkan semakin meningkatnya kekuatan atau kekerasan.
Penguatan dan pengerasan paduan aluminium dapat pula diperoleh dengan cara strain hardening (pengerasan akibat regangan) melalui perolan. Perolan panas yang dilakukan pada suhu diatas level rekristalisasi akan menyebabkan deformasi yang disertai dengan peristiwa pelunakan dalam mekanisme recovery, rekristalisasi dan pertumbuhan butir[5]. Besarnya pelunakan dari masing-masing mekanisme itu tergantung pada jenis paduan aluminium, suhu dan laju peregangan.
Aluminium mempunyai stacking fault energy (energi salah tumpuk), dila di-deformasi pada suhu tinggi akan mengalami rekristalisasi dinamik. Energi salah tumpuk pada aluminium cukup tinggi yaitu sekitar 200 erg/cm2 sedangkan pada SS-304 sebesar 20 erg/cm2. Meskipun demikian sifat aluminium cukup lunak karena peningkatan kekerasannya relatif kecil. Mekanisme recovery dinamik cukup berperan pada proses pelunakan aluminium.

Tata Kerja
1. Bahan yang digunakan meliputi :
AlMgSi dan AlMg2 masing-masing dalam bentuk pelat. AlMg2 digunakan sebagai pembanding sedangkan AlMgSi adalah material yang akan diturunkan kekerasannya.
Bahan kimia untuk preparasi sampel analisis metalografi terdiri dari :
-Resin, adalah suatu polimer yang agak kental digunakan untuk mengungkung potongan sampel agar mudah dipegang saat di-grinding dan di-polishing.
-Cairan acrylic, adalah bahan peroksida yang berfungsi sebagai pengeras (hardener)
-Pasta dengan merk AP-D suspension 1 µm alumina, deagglomerated yang digunakan untuk melumas permukaan sampel agar mengkilap dengan baik saat di-polishing.

2. Alat yang digunakan antara lain :
-Neraca analitis jenis Mettler Toledo Al 204, adalah alat untuk menimbang bahan baku serbuk logam.
-Heat treatment furnace Tmax 1200C N41/H Naberterm, adalah alat untuk memanaskan logam.
-Accutom kecepatan 600 rpm, adalah alat atau mesin potong logam.
-Grinder/polisher jenis Struers kecepatan putar 1000 rpm, adalah alat untuk menghaluskan/memoles permukaan
sampel.
-Dryer box Tmax 300C jenis Struers, adalah alat pengering untuk sampel.
-Micro hardness tester Leitz Jenis Vicker’s magnifikasi 50x, adalah alat untuk menguji kekerasan mikro logam.

3. Langkah kerja
Paduan AlMg2 dan AlMgSi masing-masing dipreparasi dengan cara dipotong dengan ukuran 1×1 cm untuk sampel uji keras. Khusus paduan AlMgSi diberikan perlakuan anil :
-Selama 300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C dilanjutkan dengan solidifikasi (pendinginan) dalam tungku.
-Selama 60-300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C dilanjutkan dengan solidifikasi atmosferik (pendinginan di udara terbuka).
Spesimen AlMgSi dari hasil proses anil yang akan diuji kekerasan mikronya terlebih dahulu dipotong, digerinda dan dipoles sampai diperoleh permukaan yang rata, halus dan mengkilap. Selanjutnya spesimen di-indentasi menggunakan alat Microhardness tester guna memperoleh diagonal jejakan d1 dan d2 yang kemudian dihitung d rata-ratanya. Nilai diagonal rata tersebut diproyeksikan pada tabel standar Microhardness Vicker’s dari pabrikan alat sehingga kekerasan mikro dalam satuan HVN (Hardness Vicker’s Number) dapat diketahui.

Hasil dan Pembahasan
Data hasil uji kekerasan AlMg2 maupun AlMgSi sebelum dianil seperti pada Tabel 1 dimana menunjukan bahwa kekerasan AlMg2 adalah 46,36 HVN atau lebih lunak dari pada AlMgSi (80,98 HVN). Perbedaan kekerasan kedua jenis paduan aluminium tersebut adalah merupakan hasil perolan saat difabrikasi. Perolan merupakan proses deformasi yang menyebabkan aluminium mengalami pengerasan akibat regangan (strain hardening). Peningkatan kekerasan paduan AlMg2 memang berbeda dengan peningkatan kekerasan AlMgSi karena adanya perbedaan komposisi unsur paduan. Perolan yang dilakukan pada saat pabrikasi mengakibatkan terjadinya peningkatan energi salah tumpuk (stacking fault energy). Pada kondisi tersebut paduan aluminium mengalami rekristalisasi. Adanya unsur Si dalam paduan menyebabkan AlMgSi lebih keras dibandingkan dengan paduan AlMg2. Oleh sebab itu agar cadangan AlMgSi memiliki daya guna sebagaimana AlMg2 bagi keperluan pembuatan elemen bakar nuklir maka paduan AlMgSi perlu dilunakkan melalui perlakuan panas (dianil).
Pada penelitian ini dilakukan suatu trial and error yaitu AlMgSi dianil selama 300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C dilanjutkan solidifikasi dalam tungku. Data pengaruh anil dengan solidifikasi dalam tungku terhadap kekerasan mikro AlMgSi seperti pada tabel 2a. Berdasarkan data tersebut diketahui bahwa anil dengan waktu yang sama maka paduan AlMgSi akan semakin lunak jika suhu anil relatif lebih tinggi. Efek anil pada suhu rendah (400C) menyebabkan kekerasan mikro yang semula 80,98 HVN turun menjadi 29,52 HVN (=68,21% softening) sedangkan anil pada suhu yang lebih tinggi (600C) menghasilkan kekerasan yang lebih rendah lagi yaitu 25,74 HVN (=63,47% softening). Anil selama 300 menit tersebut menghasilkan efek pelunakan diluar target yang diharapkan atau dengan kata lain bahwa proses anil selama 300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C mengalami error. Efek anil menghasilkan pelunakan dalam range : 68.21% – 63,47% (Gambar 1). Sedangkan reduksi kekerasan mikro AlMgSi yang diharapkan adalah dalam kisaran 42,75% softening atau setara kekerasan sampel acuan (AlMg2) yaitu 46,36 HVN.

agb1Gambar 1. Hubungan suhu anil selama 300 menit terhadap kekerasan mikro
AlMgSi berdasarkan perbedaan kondisi solidifikasi

Oleh sebab itu dilakukan pula penelitian lanjut yaitu AlMgSi dianil selama 300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C tetapi solidifikasi dilakukan secara atmosferik. Data pengaruh anil dengan solidifikasi secara atmosferik terhadap kekerasan mikro AlMgSi seperti pada Tabel 2b. Berdasarkan data tersebut diketahui bahwa anil dengan waktu yang sama (300 menit) maka paduan AlMgSi akan melunak jika suhu anil relatif lebih rendah (Gambar 1). Anil pada suhu 4000C menghasilkan pelunakan 31,74 HVN (=39,19% softening) sedangkan anil pada suhu yang lebih tinggi (600C) menghasilkan pelunakkan 66,5 HVN (=82,11% softening). Anil selama 300 menit yang dilanjutkan dengan pendinginan secara atmosferik dapat menghasilkan pelunakan dengan kekerasan akhir yang mendekati nilai 46,36 HVN dan hasil pelunakan berada dalam range : 39,19% – 82,11%.
Pada Gambar 1, tampak bahwa pengaruh anil selama 300 menit yang dilakukan dalam range suhu 400-600C menunjukan perbedaan karena pengaruh pendinginan (solidifikasi). Solidifikasi dalam tungku dilakukan dengan cara mendiamkan spesimen setelah dipanaskan pada suhu tertentu agar kembali ke suhu kamar seiring dengan turunnya suhu tungku, sehingga laju pendinginan berjalan lebih lambat ketimbang pendinginan pada udara terbuka atau solidifikasi atmosferik. Oleh sebab itu pelunakan dengan metode solidifikasi dalam tungku menghasilkan kekerasan yang makin rendah. Laju pendinginan yang lambat mengakibatkan mekanisme recovery berperan sangat dominan dalam pelunakan sehingga menyebabkan paduan AlMgSi mengalami deformasi sehingga menjadi sangat lunak dibandingkan dengan anil pada suhu yang sama namun dilanjutkan dengan pendinginan secara atmosferik.
Penelitian dilakukan berdasarkan range waktu 60 sampai 300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C dengan solidifikasi atmosferik. Data pengaruh anil selama 60 sampai 300 menit pada suhu 400C, 500C dan 600C terhadap kekerasan mikro AlMgSi pada Tabel 3.

agb2a
Gambar 2a. Hubungan suhu anil terhadap kekerasan mikro AlMgSi
diikuti solidifikasi atmosferik.

Berdasarkan penelitian anil dengan solidifikasi atmosferik yang dilakukan pada parameter tersebut seperti Gambar 2a dimana dapat diketahui bahwa akibat pemanasan selama 60 menit pada suhu relatif rendah (400C) dari suhu rekristalisasi maka AlMgSi dapat dilunakkan kekerasannya yang semula 80,98 HVN menjadi 32,3 HVN (60,11%). Hasil pemanasan selama 60 menit pada suhu lebih tinggi yaitu 500C maka kekerasan AlMgSi menjadi 43,06 HVN (46,82%) atau hampir mendekati kekerasan AlMg2 original. Sedangkan hasil pemanasan selama 60 menit pada suhu tertinggi yaitu 600C maka kekerasan AlMgSi menjadi 63,48 HVN (21,61%).
Anil dengan solidifikasi atmosferik yang dilakukan dengan masa 180 menit pada suhu relatif rendah (400C) dari suhu rekristalisasi maka AlMgSi dapat dilunakkan kekerasannya yang semula 80,98 HVN menjadi 37,16 HVN (54,11%). Pada pemanasan selama 180 menit dengan suhu yang lenih tinggi yaitu 500C maka AlMgSi dapat dilunakkan kekerasannya yang semula 80,98 HVN menjadi 39,46 HVN (51,27%). Sedangkan hasil pemanasan selama 180 menit pada suhu 600C menyebabkan kekerasan AlMgSi menjadi 58,37 HVN (27,92%).
Selanjutnya, eksperimen anil dengan solidifikasi atmosferik yang dilakukan dengan masa lebih lama yaitu 300 menit pada suhu relatif rendah (400C) dari suhu rekristalisasi maka AlMgSi dapat dilunakkan kekerasannya yang semula 80,98 HVN menjadi 31,74 HVN (60,80%). Pada pemanasan selama 300 menit dengan yang suhu lebih tinggi yaitu 500C maka AlMgSi dapat dilunakkan kekerasannya yang semula 80,98 HVN menjadi 38,68 HVN (52,23%). Sedangkan hasil pemanasan selama 300 menit pada suhu 600C menyebabkan kekerasan AlMgSi yang semula 80,98 HVN turun mnenjadi 66,5 HVN (17,88%).
Proses anil dengan solidifikasi atmosferik menunjukkan bahwa prosentase pelunakan makin rendah dengan makin tingginya suhu anil. Peran pelunakan oleh mekanisme recovery masih dominan khususnya recovery dynamic. Pada deformasi yang lebih tinggi yaitu pada suhu 600C selama 300 menit kekerasan paduan AlMg2 terlihat mengalami peningkatan. Hal ini disebabkan karena pada deformasi yang lebih besar butir-butir hasil deformasi memiliki energi dalam yang tinggi disebabkan oleh tingginya kerapatan dislokasi itu. Kerapatan dislokasi pada tingkat deformasi menyebabkan makin banyak batas butir yang merupakan rintangan terhadap gerakan dislokasi. Disamping itu pembentukan fasa kedua menjadi dipercepat dengan makin besarnya derajad deformasi sebagai efek dari solidifikasi atmosferik. Hal ini berarti ikut menghambat gerakan dislokasi sehingga memberikan kontribusi pada pelunakan sehingga sifat kekerasan AlMgSi cenderung lebih tinggi pada anil 600C dibandingkan dengan anil 400C.
Grafik pada Gambar 2a menunjukan bahwa anil AlMgSi diatas suhu 400C sampai 600C dalam solidifikasi atmosferik memiliki kecenderungan peningkatan kekerasan, sehingga dapat diketahui hasil pelunakan terendah dan tertinggi. Parameter anil selama 60 menit pada suhu 500C ternyata menghasilkan pelunakan mencapai 43,06 HVN atau setara dengan 46,82% softening dan merupakan parameter yang paling sesuai untuk pelunakan agar kekerasan AlMgSi yang dihasilkan sesuai dengan kekerasan AlMg2.
Guna mengetahui parameter anil secara solidifikasi atmosferik yang sesuai range pelunakan AlMgSi yang diharapkan (46,36 HVN) maka dengan menggunakan cartesien graph Gambar 2a ditarik garis sejajar sumbu absis (kekerasan mikro 46,36 HVN) hingga memotong garis hubungan waktu anil lalu diproyeksikan sejajar sumbu ordinat sehingga suhu anil dapat terbaca seperti ditunjukan pada gambar 2b.

agb2b
Gambar 2b. Prediksi suhu anil AlMgSi diikuti solidifikasi atmosferik yang dapat
diterapkan jika target kekerasan mikro AlMg2 = 46,36 HVN.

Untuk melunakkan AlMgSi agar mencapai kekerasan setara AlMg2 original maka anil dapat dilakukan selama 60 menit pada suhu 525C ; atau selama 180 menit pada suhu 547C; atau selama 300 menit pada suhu 536C.

Kesimpulan
Kekerasan mikro AlMg2 adalah 46,36 HVN atau lebih lunak dari pada AlMgSi sebelum mendapat perlakuan (80,98 HVN). Setelah AlMgSi hasil anil dikomparasi terhadap kekerasan AlMg2 disimpulkan bahwa anil selama 60 menit pada suhu 500C diikuti pendinginan secara atmosferik ternyata menghasilkan pelunakan mencapai 43,06 HVN atau setara dengan 46,82% softening dan merupakan parameter yang paling sesuai untuk pelunakan AlMgSi agar mendekati kekerasan AlMg2.
Saran
Disarankan agar dapat melanjutkan ke eksperimen lanjut dengan mengaplikasikan anil dengan parameter lain yang memungkinkan agar AlMgSi dapat dilunakkan sehingga kekerasannya setara dengan AlMg2. Parameter lain adalah anil dilakukan selama 60 menit pada suhu 525C; atau selama 180 menit pada suhu 547C; atau selama 300 menit pada suhu 536C pada solidifikasi secara atmosferik serta dilengkapi dengan analisis struktur mikro.

pns1

labmetal

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *