Pembuatan Komposit Metal Al Alloy Nano Keramik Sic dan Karakterisasinya

Abstract

Metal Matrix Composites (MMC) have good performance in strength and resistance to fatigue resistance. Besides, using the ceramic materials SiC as reinforcement will give the high improvement resistance in high temperature and mechanical strength. Composite of Al/SiC has many applications as component of automotive product, such as: gear, piston, disc brake, and others related to friction material applications. MMC have been made by mixing of Al alloy (A 356.2) and nano size SiC ceramics (50 nm) using powder metallurgy technique and it used wetting agent materials additive of nitrate aluminium [Al(NO3)3 P.A., E Merck], and ethanol p.a as mixing medium. The variation of compositions SiC, each: 0, 2, 5, 10, and 15 %weight; the temperature sintering: 500, 550, 600, 650, and 700 oC, and holding time at 1 hour, heating rate about 10 oC/minute, and using argon gas inert atmospheric. The sample preparation is mixing of SiC powder and solution of Al(NO3)3 in ethanol medium, using magnetic stirrer at temperature 50oC, then dried in drying oven at temperature 60oC during 24 hour. Hence, it obtained SiC powder which have been coated with Al(NO3)3 or particle SiCp. The mixing process of aluminium alloy (200 mesh) with the particle SiCp was done in beaker glass by using magnetic stirrer for 30 minutes. Volume ratio between powder Al/SiCp to ethanol is 1 : 2, the mixing powder then dried in oven for 24 hour at temperature 600C. The 10 g of powder sample was taking into mould, and then pressed at pressure 300 MPa and holding time for 5 minutes. Before pressing, the inside mould wall was lubricated using stearat acid about 1 % weight from total raw material. The charactyerizations of Al/SiC composite material are: density, porosity, coefficient of thermal expansion, compressive strength, bending strength, tensile strength, hardness, and micro structure analysis by using X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM). From the experiment results shows that: the optimum condition was obtained at composition of 15 % SiC and sintering temperature 650oC with characteristics: density = 3.02 g/cm3, porosity = 0.33 %, coefficient of thermal expansion = 8.0 x 10-6 oC - 1, compressive strength = 156.7 MPa, tensile strength = 350 MPa, bending strength = 446.4 MPa, hardness vicker’s = 83.15 kgf/mm2. The major phase (dominant) formed is Al, while minor phase is SiC. The existence of other new phase was not seen; this means between Al and SiC is not react. SEM photomicrograph shown that the particle form is not homogeneous, the grain size of Al is about 0.5 - 1 ?m and SiC is about 50 nm - 0.1 ?m which is located between Al grains.

Metal Matrix Composite (MMC) memiliki keunggulan dalam kekuatan dan ketahanan terhadap aus (fatigue). Selain itu, dengan penguatan menggunakan bahan keramik SiC, maka akan memberikan peningkatan resistansi suhu tinggi dan kekuatan mekanik. Komposit Al/SiC, juga banyak diaplikasikan sebagai material dasar untuk komponen produk otomotif, seperti: gear, piston, brake disc, dan komponen lainnya yang berhubungan dengan aplikasi material gesek (friction material). Pada penelitian ini, MMC dibuat dari paduan logam Al alloy (A 356.2) dan keramik nano size SiC (50 nm) melalui teknik metalurgi serbuk dengan bahan aditif berupa wetting agent aluminium nitrat, [Al(NO3)3 p.a., E Merck], dan ethanol p.a sebagai media pencampur. Variasi komposisi SiC masing-masing: 0, 2, 5, 10, dan 15 % berat; dengan suhu sintering: 500, 550, 600, 650, dan 700 oC, dengan waktu tahan selama 1 jam, laju kenaikan suhu dikontrol pada nilai 10 oC/menit, serta dalam kondisi atmosfir gas inert Argon (Ar). Preparasi benda uji dilakukan melalui tahapan, yaitu: pencampuran serbuk SiC dengan larutan Al(NO3)3 dalam medium ethanol, pencampuran dilakukan menggunakan magnetic stirrer pada suhu 50 oC. Selanjutnya larutan tersebut dikeringkan di dalam drying oven pada suhu 60 oC selama 24 jam, sehingga diperoleh serbuk SiC yang telah terlapisi (coating) Al(NO3)3 atau disebut partikel SiCp. Tahap selanjutnya adalah proses pencampuran (mixing) serbuk aluminium alloy (200 mesh) dengan bahan penguat (reinforce) partikel SiCp untuk membentuk komposit matriks logam yang dilakukan di dalam beaker glass dengan menggunakan magnetic stirrer sebagai media pengaduk selama 30 menit. Perbandingan volume antara serbuk Al/SiCp terhadap larutan ethanol adalah 1 : 2, kemudian dikeringkan di dalam oven selama 24 jam dengan suhu 60 0C. Sampel serbuk campuran Al/SiC seberat 10 g dimasukkan ke dalam cetakan (moulding) kemudian ditekan pada tekanan 300 MPa dan ditahan selama 5 menit. Sebelum sampel dicetak, dinding cetakan diolesi dengan pelumas asam stearat (stearat acid) sebanyak 1 % berat dari jumlah total bahan baku. Karakterisasi yang dilakukan pada material komposit Al/SiC, yaitu: densitas, porositas, koefesien ekspansi termal, kuat tekan, kuat patah, kuat tarik, kekerasan; serta analisa struktur mikro material komposit Al/SiC dengan X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope (SEM). Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa kondisi optimum diperoleh pada komposisi 15 % SiC dan suhu sintering 650 oC dengan karakteristik sebagai berikut: densitas = 3,02 g/cm3, porositas = 0,33 %, koefisien ekspansi termal = 8 x 10-6 oC -1, kuat tekan = 156,7 MPa, kuat tarik = 350 MPa, kuat patah = 446,4 MPa, kekerasan Vickers = 83,15 kgf/mm2. Fasa mayor (dominan) yang terbentuk adalah Al, sedangkan fasa minor adalah SiC. Tidak terlihat adanya fasa baru lainnya, hal ini berarti antara Al dan SiC tidak terjadi reaksi. Pada hasil foto SEM terlihat bahwa bentuk partikel tidak homogen dengan besaran butiran Al sekitar 500 – 1000 nm dan SiC sekitar 50 nm sampai 10 nm yang terletak diantara butiran Al.