## PENGEMBANGAN PADUAN Al-Si HIPEREUTEKTIK YANG AKAN DITERAPKAN UNTUK KOMPONEN OTOMOTIP
Akhmad Saufan (1)
(1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Jakarta.

## ABSTRACT
This research will develop the hypereutectic Al-Si alloy that will be used to make automotive parts. The progress of this study is to make three alloy compositions; Al-30Si, Al-35Si and Al- 40Si.  The  making  process  of  the  alloys  by  melting  and  alloying  which  are  then  poured  into steel  tube  mold  at  different  casting  temperatures  but  the  same  superheat  100 o C.  The  cast products are then metallographic tested and hardness tested. The microstructure of those three cast  alloy  products  is  cast  structure  consisting  of  much  elongated  large  proeutectic  silicon phase, the lamellar eutectic phase, chill structure, and cast defects consisting of shrinkage and porosity. The Brinell Hardness Number of the three cast products show that hardness of the Al- Si alloy will increase by increasing silicon content.
Keywords: paduan Al-Si, hipereutektik, fasa eutektik, silikon proeutektik

## 1. PENDAHULUAN
Dinding silinder (cylinder liner) pada motor bakar  torak  (motor  bensin,  motor  diesel)  saat  ini masih  terbuat  dari  bahan  besi  cor  kelabu  ( grey  cast iron )[1].  Material  ini  berbasis  besi,  sehingga memiliki densitas tinggi (berat).  Kecenderungan saat ini hampir setiap komponen diusahakan untuk dibuat dari  bahan  yang  memiliki  densitas  rendah  (ringan), tidak terkecuali cylinder liner .
Material  ringan  yang  dipilih  untuk  membuat komponen  otomotip  adalah  aluminium.  Logam  ini memiliki  sifat-sifat  lain  seperti  tahan  korosi, konduktifitas  panas  dan  listrik  yang  baik,  keuletan yang  tinggi,  tetapi  kekuatan  rendah  dan  kekerasan rendah  (lunak)[2].  Adanya  sifat  kekuatan  dan kekerasan  yang  rendah  pada  aluminium  ini merupakan kelemahan pada logam aluminium murni bila  dipakai  untuk  membuat  komponen  otomotip. Untuk  itu  berbagai  upaya  telah  dilakukan  untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasannya.
Aluminium ditingkatkan kekerasan dan kekuatannya dengan cara dipadu dengan titanium(Ti) untuk membentuk paduan fasa gama (  ), dan  paduan fasa  senyawa  aluminida  Ti 3 Al  [3].  Kedua  macam paduan  tersebut  dibuat  dengan  teknik  metalurgi serbuk[4,5,6,7].  Selanjutnya  aluminium  juga  dipadu dengan  nikel  untuk  membentuk  senyawa  NiAl maupun  Ni 3 Al.  Material-material  tersebut  dibuat dengan  teknik  logam  serbuk[8],  ataupun electron beam gas condensation [9].
Aluminium  dipadu  dengan  silikon,  disamping meningkat  kekuatannya  juga  tetap  tahan  korosi. Jumlah  silikon  yang  telah  dipadukan  antara  lain 2,5%,  5%,  5,2%,  5,5%,  6%,  7%,  9%,  9,5%,  10%, 10,5%,  11,2%,  12%,  dan tertinggi  saat  ini  17%[10].
Dengan  semakin  tinggi  kandungan  silikon  maka kekuatan  maupun  kekerasannya  menjadi  semakin tinggi  pula.  Pembuatan  paduan-paduan  tersebut dilakukan dengan peleburan, pemaduan, dan pengecoran.
Terhadap  paduan  Al-Si  telah  dilakukan berbagai  upaya  untuk  meningkatkan  kekuatan maupun kekerasan; dengan electromagnetic stiring[11],  getaran[12,13],  getaran  pada  permukaan paduan  yang  masih  cair[14],  mempercepat  laju pembekuan[14],  penghalus  butir[15],  dan  kombinasi pengecoran dan tempa[16,17].
Paduan  Al-Si  selanjutnya  juga  dilakukan penambahan fasa terdispersi dengan cara memasukkan  serbuk  keramik  sehingga  menjadi bahan  komposite.  Bahan  komposit  ini  telah  dicoba untuk  membuat  komponen  otomotip[18,19].  Serbuk keramik yang digunakan adalah serbuk Al 2 O 3 [20,21] ataupun  serbuk  SiC[18,22,23,24].  Adapun  teknik pembuatan  material  ini  ada  yang  melalui  teknik logam serbuk[24] tetapi ada juga yang melalui teknik pengecoran[20,21,22,23].
Yang  akan  dilakukan  pada  penelitian  ini adalah  baru  sampai  tahap  membuat  paduan aluminium-silikon  dengan  kandungan  silikon  yang lebih  tinggi  yaitu  30  %,  35  %  dan  40%.  Paduan dibuat  melalui  proses  peleburan  dan  pemaduan. Teknik  pengecoran  yang  digunakan  adalah grafity casting . Paduan yang dibuat kemudian dilakukan uji metalografi dan uji keras.

## 2. PROSEDUR PENELITIAN
Rangkaian langkah-langkah dalam penelitian ini dapat  digambarkan  dengan  diagram  alir  penelitian sebagaimana dapat dilihat pada gambar (1).
Gambar 1 Diagram Alir Penelitian
Pada  penelitian  ini  akan  dibuat  paduan  Al-Si hipereutektik  dengan  tiga  macam  komposisi  kimia; Al-30  Si,  Al-35Si,  dan  Al-40Si.  Untuk  itu  perlu disiapkan  tiga  macam  racikan  untuk  membuat  tiga paduan  tersebut  yang  bahan  dasarnya  berupa aluminium  murni  komersial  dan master  alloy Al- 50Si.
Masing-masing  racikan  dilakukan  peleburan  dengan temperatur  yang  berbeda-beda  semakin  tinggi kandungan  silikon  dalam  paduan  yang  akan  dibuat, maka  temperatur  peleburannya  juga  semakin  tinggi. Tinggi  temperatur  peleburan  ini  mengacu  pada diagram  fasa  Al-Si  gambar  (2),  dimana  temperatur peleburan  berada  di  atas  garis  liquidus.  Superheat temperatur  tuang  pada  penelitian  ini  diambil  100 o C, sehingga  masing-masing  temperatur  tuangnya  untuk Al-30Si  adalah  930 o C,  Al-35Si  adalah  990 o C,  dan Al-40Si adalah 1050 o C.
Gambar 2 Diagram Fasa Al-Si[10]
Peleburan dan Pemaduan Penuangan Kesimpul an Master Alloy Al-50Si Aluminium Murni Al-30Si Al-35Si Al-40Si Pengujian Metalografi Kekerasan Analisa
Lelehan paduan yang sudah jadi dituangkan ke dalam cetakan tabung baja. Hasil coran yang sudah membeku  dikeluarkan  dari  cetakan,  dilakukan pemotretan dan kemudian dibelah arah membujur.Belahan  hasil  coran  dibingkai  dengan resin  termoset  untuk  memegang  ketika  melakukan proses  metalografi.  Hasil  pembingkaian  diamplas dengan  kertas  ampelas  dari  yang  paling  kasar hingga  yang  paling  halus.  Kertas  amplas  paling kasar  yang  dipakai  adalah  nomer  60  untuk mempercepat perataan permukaan specimen. Setelah  permukaan  specimen  diratakan  dengan kertas amplas nomer 60, kemudian secara berturut- turut  dilanjutkan  dengan  kertas  amplas  nomer- nomer  di  atasnya  hingga  yang  terakhir  kertas amplas paling halus nomer 2000.
Specimen  hasil  pengampelasan  dengan  kertas amplas nomer 2000 dipoles pada kain beludru yang diberi  bahan  abrasive  serbuk  alumina  yang  halus. Proses pemolesan berakhir bilamana goresan bekas amplas nomer 2000 sudah hilang.
Setelah pemolesan  selesai,  dilanjutkan  dengan mencuci  specimen  hingga  bersih  menggunakan sabun untuk menghilangkan lemak dan kotoran lain yang  belum  bisa  pergi  hanya  dengan  air  biasa. Specimen  segera  dietsa  menggunakan  larutan  etsa Keller  dengan  komposisi  2,5  mL  HNO3,  1,5  mL HCl,  1,0  mL  HF,  dan  95  mL  air[25].  Setelah specimen  dicelupkan  ke  dalam  larutan  tersebut harus  segera  dicuci  bersih,  dikeringkan,  dan disimpan.  Pemeriksaan  hasil  menunggu  setelah sehari semalam, untuk memastikan HF telah habis, agar  tidak  merusak  lensa  mikroskop  optic.  Jika struktur  mikro  sudah  berhasil,  kemudian  dipotret. Sebaliknya,  jika  struktur  mikro  belum  berhasil dimunculkan, maka harus kembali ke pengamplasan  menggunakan  kertas  amplas  nomer 2000, dan seterusnya.
Pengujian  kekerasan  menggunakan  mesin  uji keras  brinell.  Persiapan  yang  perlu  dilakukan adalah, membuat specimen  yang memiliki dua sisi yang  sejajar  dengan  ketebalan  minimal  satu  senti meter.  Dua  sisi  sejajar  ini  harus  diratakan  dengan pengamplasan hingga halus supaya tidak mengganggu  pembacaan  ukuran  bekas  pijakan identor mesin uji keras brinell.

## 3. HASIL PENELITIAN

## 3.1. Hasil Pengecoran
Contoh  hasil  coran  dapat  dilihat  pada  gambar (3).  Coran  paduan  Al-Si  berbentuk  silinder  pejal setelah  dikeluarkan  dari  cetakan  tabung  baja. Tiga silinder  hasil  coran  yang  merupakan  tiga  macam paduan  Al-30Si,  Al-35Si,  dan  Al-40Si  kemudian dipotong  membujur  dan  dimetalografi.  Hasilnya difoto secara makro diperlihatkan pada gambar (4). Dari  foto  makro  tersebut  terlihat  adanya  cacat
coran  berupa  porositas  dan  penyusutan  di  bagian atas coran.
Gambar 3 Coran Al-Si berbentuk silindris
Penyusutan porositas

## 3.2. Struktur Mikro
fasa eutektik
porositas silikon proeutektik
Gambar 5 Struktur mikro paduan Al-30Si. Perbesaran 100X
fasa eutektik porositas silikon proeutektik
Gambar 6 Struktur mikro paduan Al-35Si. Perbesaran 100X
Pada  gambar  (5)  diperlihatkan  struktur mikro  paduan  Al-30Si  hasil  pengecoran  pada cetakan  tabung  silinder  baja.  Struktur  mikro tersebut  terdiri  dari  matrik  yang  berupa  fasa eutektik  dan  silikon  proeutektik  yang  berukuran besar-besar  dan  panjang-panjang.  Pada  struktur mikro tersebut juga masih terlihat adanya porositas
berukuran kecil dalam fasa eutektik maupun dalam silikon proeutektik.
Fenomena  yang  sama  dengan  gambar (5) diperlihatkan pada gambar (6) yang merupakan struktur mikro paduan Al-35Si maupun gambar (7) yang  merupakan  struktur  mikro  paduan  Al-40Si. Struktur mikro memperlihatkan matrik yang berupa
fasa  eutektik  dan  silikon  proeutektik  yang berukuran  besar-besar  dan  panjang-panjang  juga. Hanya saja jumlah fasa silikon proeutektik semakin
banyak.  Porositas  berukuran  kecil  dalam  fasa eutektik  maupun  dalam  silikon  proeutektik  juga ada.
fasa eutektik porositas silikon proeutektik Gambar 7 Struktur mikro paduan Al-40Si. Perbesaran 100X
Gambar 8 Struktur mikro paduan Al-Si di tepi benda coran. Perbesaran 100X
Porositas
Si Al

## 3.3. Kekerasan
Harga  kekerasan  ketiga  paduan  diperlihatkan pada  tabel  (1)  dan  kemudian  diujudkan  dalam bentuk grafik yang dapat dilihat pada gambar (10). Harga  kekerasan  paduan  Al-Si  akan  naik  dengan bertambahnya kandungan silikon.

## Tabel 1 Harga Kekerasan
No  Paduan BHN 1 Al-30Si 37 2 Al-35Si 58 3 Al-40Si 67
Gambar 10 BHN versus kandungan Si dalam paduan Al-Si

## 4. PEMBAHASAN

## 4.1. Hasil Coran
Benda  coran  ketiga  paduan  hipereutektik; Al-30Si,  Al-35Si,  dan  Al-40Si  secara  visual  tidak ada  masalah,  permukaan  dinding  silindrisnya relative  mulus,  seperti  diperlihatkan  pada  gambar (3). Namun bila dilihat dari foto makro gambar (4), terlihat bahwa coran-coran tersebut memiliki cacat- cacat  antara  lain  penyusutan  dan  porositas. Penyusutan  dapat  dilihat  pada  permukaan  atas coran  yang  mengempot  kea  rah  bawah,  dan  pada bagian  dinding  silindris  bagian  atas  juga  terjadi pengecilan  diameter  yang  lebih  besar  dari  bagian bawahnya.  Penyusutan  di  bagian  atas  tersebut akibat  material  ketarik  kea  rah  bawah  di  bagian tengah sumbu silinder.
Adapun  cacat  porositas  yang  mengumpul di  bagian atas  benda  coran,  sebagai akibat  gas-gas dari  bagian  bawah  yang  bergerak  ke  atas  untuk keluar  terjebak  oleh  permukaan  benda  coran  yang sudah membeku.

## 4.2. Struktur Mikro
Proses turunnya temperatur dan solidifikasi  berlangsung  dengan  relatif  cepat. Struktur  mikro  yang  dihasilkan  dari  proses metalografi  menunjukkan  bahwa  adanya  struktur coran yang terdiri dari fasa silikon proeutektik yang besar dan panjang dan chill structure .  Fasa silikon proeutektik  seperti  telah  ditunjukkan  pada  gambar (5),  (6),  dan  (7)  tumbuh  memanjang  setelah chill structure dengan  ukuran  lebih  besar  dan  lebih panjang  dari  ukuran  silikon  proeutektik  di  bagian chill  structure .  Sedangkan chill  structure ,  seperti pada  gambar (8)  terbentuk  karena  proses pendinginan  yang  sangat  cepat.  Cairan  paduan logam  yang  bersentuhan  langsung  dengan  dinding cetakan  mengalami  penurunan  temperatur  yang sangat cepat. Akibat dari laju penurunan temperatur yang  cepat  maka  laju  pengintian  fasa  padat  pada cairan  logam  yang  bersentuhan  dengan  dinding cetakan  menjadi  tinggi.  Dengan  tingginya  jumlah inti  fasa  padat  akibatnya  butir-butir  fasa  padat
% Si BH N 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4
menjadi  sangat  halus.  Hal  inilah  yang  menjadi penyebab  terbentuknya chill  structure pada permukaan hasil coran.
Fasa  eutektik  pada  tiga  macam  paduan tersebut  dapat  dilihat  pada  gambar  (9).  Struktur mikro dari fasa eutektik ini adalah struktur lamelar yang  terdiri  dari  fasa  Si  yang  bentuknya memanjang  dan  fasa  Al  yang  sangat halus  sebagai akibat  proses  pembekuan  yang  relative  cepat karena cetakan berupa baja.

## 4.3. Kekerasan
Tiga  paduan  Al-Si  yang  dibuat  adalah paduan  hipereutektik.  Pada  paduan  tersebut  jika diperhatikan  pada  diagram  fasanya,  akan  terlihat bahwa pada paduan-paduan tersebut terdiri dari dua macam fasa; yaitu fasa silikon proeutektik, dan fasa eutektik.  Fasa  eutektik  terdiri  dari  dua  jenis  fasa; yaitu fasa silikon dan fasa aluminium.
Harga kekerasan paduan akan naik dengan naiknya  kandungan  silikon  dalam  paduan.  Hal  ini terjadi  karena  dengan  naiknya  kandungan  silikon maka  fasa  yang  keras,  fasa  silikon,  dalam  paduan bertambah  banyak.  Fasa  silikon  yang  bertambah dalam hal ini adalah fasa silikon proeutektik.

## 4.4. Dampak Bertambahnya Fasa Silikon
Fasa  aluminium  memiliki  sifat  ulet  tetapi lunak.  Sedangkan  fasa  silikon  memiliki  sifat  lebih keras, tetapi bersifat getas. Pada paduan ini sebagai bahan  dasarnya  adalah  aluminium.  Sedangkan silikon  sebagai  unsur  pemadu.  Keberadaan  fasa silikon  di  dalam  matrik  aluminium  adalah  sebagai fasa penguat yang tersebar.
Fasa silikon disamping dapat meningkatkan  kekuatan/kekerasan,  kebeardaannya memiliki  dampak  lain.  Oleh  karena  sifat  silikon adalah  keras  dan  getas,  dengan  semakin  tinggi kandungan  silikon  pada  paduan  ini  maka  jumlah fasa  silikon  akan  semakin  tinggi  juga.  Sebagai akibatnya  adalah  paduan  akan  menjadi  semakin getas,  atau  keuletan  paduan  akan  semakin berkurang  dengan  semakin  tingginya  kandungan silikon  dalam  paduan  Al-Si.  Adapun  harga kegetasan  pada  penelitian  ini  belum  dilakukan pengujian.  Disamping  itu  pada  penelitian  ini selanjutnya  masih  harus  dilakukan  rekayasa terhadap  struktur  mikro  maupun  mengatasi  cacat- cacat pengecoran.

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1. Kesimpulan
a. Struktur mikro dari hasil pengecoran paduan Al- 30Si,  Al-35Si,  dan  Al-40Si  adalah cast structure yang  terdiri  dari  fasa  slikon
proeutektik  yang  besar  memanjang,  fasa eutektik yang lamelar, dan chill structure .
b.  Cacat-cacat  coran  yang  terjadi  pada  penelitian ini adalah penyusutan dan porositas.
c.  Harga  kekerasan  akan  naik  dengan  naiknya kandungan silikon.
5.2. Saran
a.  Perlu  ditindak  lanjuti  uji  impak  untuk mengetahui  ketahanan  material  terhadap  beban tiba-tiba.
b.  Perlu  ditindak  lanjuti  perlakuan  cairan  sebelum membeku untuk meghaluskan silikon
proeutektik.
c.  Perlu  dilakukan  perbaikan  teknik  pengecoran untuk menghilangkan cacat-cacat coran; porositas dan penyusutan.

## PUSTAKA
1 Angus,  H.T ., Cast  Iron:  Physical  and
Engineering
Properties , Butterworth, London,1978.
2 Smith,  W.F ., Structure  and  Properties  of Engineering Alloys second edition , McGraw- Hill, Singapore, 1993.
3 Boyer, R., Welsch, G., and Collings, E.W ., Materials  Properties  Handbook:  Titanium Alloys , ASM International, USA, 1994.
4 Yang, J.B., Teoh, K.W., and Hwang, W.S ., “Solid-State  Hot  Pressing  of  Elemental Aluminium  and  Titanium  Powders  to  Form TiAl  (  +  2 )  intermetallic  Microstructure”, Journal of Materials Engineering
Performance ,  Volume  5(5)  October  1996 583-588.
5 Wu,  X.,  and  Bowen,  P .,  “Effects  of Microstructure on the Fracture Toughness of
Ti3Al-Based Titanium
Aluminides”, Metallurgical  and  Materials  Transaction  A , Volume 28A June 1997 1357-1365.
6 Yang,  J.B.,  and  Hwang,  W.S .,  “The Preparation  of  TiAl-Based  Intermetallics from Elemental Powders through a Two-Step Presureless  Sintering  Process”, Journal  of Materials Engineering Performance ,
Volume 7(3) June 1998 385-392.
7 Huang,  H.,  Virtanen,  P.,  Tiainen,  T.,  and Ji, Y ., “Synthesis of  -TiAl  Based  Alloy  by Mechanical  Alloying  and  Reactive  Hot Isostatic  Pressing”, Journal  of  Materials Engineering  Performance ,  Volume  7(6)
December 1998 784-788.
8 Albers,  M.,  Kath,  D.,  and  Hilpert,  K ., “Thermodynamic  Activities  and  Phase
Boundaries  for  the  Alloys  of  the  Solid Solution of Co in Ni3Al”, Metallurgical and Materials Transaction A , Vol. 28A, November 1997, pp 2183-2188.
9 Chouldry, M.S., Dollar, M., and Eastman, J.A .,  “Nanocrystalline  NiAl-processing, characterization  and  mechanical  properties”, Materials  Science  and  Engineering  A ,  256 (1998), pp. 25-33.
10 ASM , ASM HANDBOOK Volume 2
Properties  and  Selection:  Nonferrous  Alloys and  Special-Purpose  Materials  Formerly Tenth  Edition ,  ASM  International,  USA,
1992.
11 Griffith,  W.D.,  and  McCartney,  D.G .,
“The  Effect  of  Electromacnetic  Stirring During Solidificaton on The Structure of Al- Si Alloys”, Materials Science and Engineering A , A216 (1996) 47-60.
12 Heine,  R.W.,  Loper,  C.R.,  and  Rosenthal, P.C ., Principles  of  Metal  Casting ,  Tata McGraw-Hill, New Delhi, 1982.
13 Rusli,  R.H ., Dasar  Teori  Solidifikasi Metal , UI Press, Jakarta, 1995.
14 Ohno,  A.  and  Soda,  H .,  “Effect  of  the Surface Vibration on the Structure of Ingot”, Transaction ISIJ , Vol. 10, 1970, pp 442-447.
15 Dasgupta, R ., “Property improvement in Al- Si  alloys  through  rapid  solidification processing”, Journal of Materials Processing
Technology , 72 (1997), 380-384.
16 Aniyi,  J.A.,  Bello-Ochende,  F.L.,  and Adeyemi,  M.B .,  “Effects  of  Pressure,  Die, and  Stress  Relief  Temperatures  on  Residual Stresses  and  Mechanical  Properties  of Squeeze-Cast  Aluminium  Rods”, Journal  of Materials  Engineering  and  Performance , Vol.5(3), June 1996, pp 399-404.
17 Youn, S. W.,  Kang, C. G., and Seo, P. K ., “Thermal  fluid/solidification  analysis  of automobile  part  by  horizontal  squeeze casting process and experimental evaluation” Journal of Materials Processing Technology, Volume 146, Issue 3 , 10 March 2004 , Pages
294-302.
Composites  in  the  Automotive  Industri: Opportunities  and  Challenges”, JOM , January 1993, pp.19-24.
19 Yue, T.M., and Chadwick, G.A ., “Squeeze Casting of Light Alloys and Their
Composites”, Journal of Materials
Processing  Technology, 58(1996),  pp.302- 307.
20 Lee,  J.C.,  Kim,  G.H.,  Lee,  J.I.,  and  Lee, H.I .,  “Interfacial  Reaction  in  the  Squeeze- Cast  (SAFFIL+C)/SAE  329  Al  Composite”, Metallurgical  and  Materials  Transaction  A , Volume 28A May 1997 1251-1259.
21 Taha,  M.A.,  and  El-Mahallawy,  N.A ., “Metal-matrix  composites  fabricated  by pressure-assisted infiltration of loose ceramic powder”, Journal  of  Materials  Processing Technology, 73(1998), pp.139-146.
22 Zhou,  W.,  and  Xu,  Z.M .,  “Casting  of  SiC Reinforced  Metal  Matrix  Composites”, Journal of Materials Processing Technology,
63(1997), pp.358-363.
23 Yue, T.M., and Chadwick, G.A ., “Squeeze casting of light alloys and their composites”, Journal of Materials Processing Technology, 58(1996), pp.302-307.
24 Xu,  Z.M.,  Loh,  N.L.,  and  Zhou,  W .,  “Hot isostatic  pressing  of  cast  SiCp-reinforced aluminium-based  composites”, Journal  of Materials  Processing  Technology, 67(1997), pp.131-136.
25 Vander Voort, G.F ., Metallography,
Principles and Practice , McGraw-Hill, USA, 1984

## CURRICULUM VITAE
Penulis  mulai  bergabung  menjadi  tenaga  pengajar di  Jurusan  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik Universitas  Negeri  Jakarta  pada  tahun  1993. Adapun pendidikan yang telah ditempuh adalah S1 Pendidikan  Teknik  Otomotif  IKIP  Yogyakarta lulus  pada  tahun  1993,  kemudian  tertarik  untuk mempelajari  bidang  material  dengan  menempuh program  S2  di  Program  Studi  Ilmu  dan  Teknik Material ITB yang diselesaikan pada tahun 1999.