Contents list available at Sinta

## A R M A T U R
: Artikel Teknik Mesin & Manufaktur
Journal homepage: https://scholar.ummetro.ac.id/index.php/armatur
Pengaruh waktu aging terhadap perubahan sifat fisik paduan ingat bentuk (shape memory alloy) Cu-Zn-Al
Rico Josua 1* , Budiarto 2
1,2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Kristen Indonesia, Jl.Diponegoro No. 84-86, Jakarta Pusat 10430 - Indonesia Telp. (021)-3920174

## A R T I C L E I N F O A B S T R A C T
Keywords:
Shape memory alloy Aging Crystal structure Hardness Physical properties Cu-Zn-Al alloy is a shape memory alloy (SMA) that is widely used due to its high transformation temperature. This study aimed to determine the effect of variations in  aging  time  (1.3  and  5  hours)  on  physical  changes  (crystal  structure  and hardness) in Cu-Zn-Al alloys. The method used in this study is powder metallurgy by  combining  Cu,  Zn,  and  Al  powders.  Followed  by  mixing  them  and  then compacting  the  alloy.  The  alloy  was  sintered  at  400°C  and  quenched  at  room temperature for 24 hours. Then the alloy was given various heat treatments (aging) for 1.3 and 5 hours at 200 °C. Microstructure and hardness tests were carried out on  Cu-Zn-Al  alloys  to  determine  the  properties  of  the  alloy  after  being  treated.
From the test, it was found that the hardness value increased from 303 HBN to 375 HBN (1 hour), 351 HBN (3 hours), and 320 HBN (5 hours), and there was a change in crystal size, dislocation density, and lattice strain.

## Pendahuluan
Shape  memory  alloys (SMAs)  atau paduan  ingat  bentuk  ditemukan  pada  abad ke-20  dan  banyak  diaplikasikan  ke  dalam teknologi  sampai  saat  ini  dimana  paduan logam ingat bentuk khususnya NiTi (nitinol) ditemukan  pertama  kali  oleh Naval Ordnance Laboratory. Shape memory alloys (SMAs)  sendiri  merupakan  bagian  dari Shape  Memory  Materials (SMMs)  yang memiliki  kemampuan  untuk  “mengingat” atau  mempertahankan  bentuk  awalnya  saat diberikan  perlakuan  tertentu  seperti  variasi termomekanik atau magnetik. Paduan ingat bentuk  telah  banyak  menarik  perhatian kalangan  industri  untuk  pengaplikasian produk  komersial  dalam  beberapa  tahun terakhir, dikarenakan properti paduan ingat
bentuk  yang  sangat  unik  dan  sifatnya yang unggul [1].
Saat  ini,  berbagai  jenis  kelompok paduan  ingat  bentuk  sudah  sangat  terkenal dan  juga  digunakan  pada    aplikasi  yang berbeda-beda  dimana  properti  paduan diubah  sesuai  dengan  kebutuhan  [2]. Kombinasi  unik  dari  sifat-sifat  yang disediakan  oleh  aluminium  dan  paduannya menjadikan  aluminium  salah  satu  bahan logam  yang  paling  serbaguna,  ekonomis, dan menarik [3].
Penambahan  seng  (Zn)  ke  dalam paduan Tembaga (Cu) dan Aluminium (Al) menghasilkan sistem terner baru yaitu, Cu- Zn-Al. Paduan ini memiliki suhu transformasi  yang  dapat  dengan  mudah dimodifikasi  yaitu  pada  rentang  suhu  -100 dan  100  °C  dimana  paduan  sangat
menguntungkan  jika  dibandingkan  dengan paduan Tembaga dan Aluminium [4].
Namun,  paduan  Cu-Zn-Al  juga memiliki kelemahan dimana paduan tersebut  sulit  untuk  mengontrol  komposisi kimia  yang  akurat  dalam  peleburan  dan ketahanan lelah yang rendah sebagai akibat dari retak interkristalin [5]. Untuk mengatasi masalah  ini,  maka  dilakukan  penelitian dengan proses perlakuan panas yang efisien atau  lebih  dikenal  dengan  istilah artifical aging . Oleh  karena  itu,  peneliti  tertarik untuk  mengamati  perubahan  apa  yang terjadi  jika  dilakukan  perlakuan aging dengan  variasi  waktu  1  jam,  3  jam  dan  5 jam,  dengan  suhu  200°C  pada  paduan  Cu– Zn–A1  dengan  fraksi  volum  Cu  70%,  Zn 20% dan Al 10% [4].

## Tinjauan Pustaka
Shape memory alloy (SMA)
memiliki dua sifat paduan yang sangat unik yaitu, Shape  Memory  Effect (SME) dan superelasticity  Effect (SE) . Dua  sifat  unik tersebut  timbul  karena  adanya  perubahan fase  padat  dimana  terjadi  penataan  ulang struktur  molekul  pada  paduan  memori bentuk.  Dua  fase  padat  tersebut  adalah martensit dan austenit. Martensit adalah fase yang  terdapat  pada  suhu  rendah  dimana memiliki  karakteristik  relatif  lunak  dan mudah  terdeformasi  dengan  beban  yang relatif  kecil.  Berbeda  dengan  martensit, austenit merupakan fase yang lebih kuat dan terdapat  pada  suhu  tinggi  pada Shape memory alloy (SMA) [6] .
Temperatur  saat  bahan  berfasa austenit  berubah  menjadi  fasa  martensit dikenal  sebagai martensite  start (Ms) dimana  berlangsung  terus  sampai  fasa martensit stabil pada temperatur martensite finish (Mf)  [6] . Ketika  bahan  dipanaskan dan fasa berubah menjadi fasa austenit dapat dikenal  sebagai  temperatur austenite  start (As),  dimana  hal  ini  berlangsung  hingga temperature austenite  finish (Af)  seperti ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1. Mekanisme sifat ingat bentuk ( shape memory )
Shape  memory  alloy memiliki  sifat yang  berbeda  dibandingkan  dengan  jenis bahan-bahan  lainnya.  Sifat  utama  yang dimiliki  oleh Shape  memory  alloy (SMA) adalah Superelasticity Effect (SE) dan S hape Memory  Effect (SME). Pseudo-elasticity atau Superelasticity Effect (SE) terjadi pada paduan memori ingat bentuk ketika paduan sepenuhnya terdiri dari austenit (suhu lebih besar dari Af). Berbeda dengan efek memori bentuk,  efek  superelastisitas  terjadi  tanpa adanya  perubahan  suhu. Shape  Memory Effect (SME)  atau  efek  memori  bentuk terjadi  pada  saat  paduan  memori  bentuk berada  pada  fasa  martensit  yaitu  pada  saat suhu  paduan  memori  bentuk  didinginkan hingga  di  bawah  suhu  Mf  seperti  pada gambar 1 [7] .
Pembuatan  produk  komersial  dari suatu  logam  adalah  dengan  melakukan proses  metalurgi  serbuk.  Proses  ini  dapat diaplikasikan  untuk  benda  jadi  maupun benda  yang  setengah  jadi.  Pada  metalurgi sebuk,  logam  terlebih  dahulu  dihacurkan menjadi serbuk, lalu serbuk ditekan dengan cetakan  dan  pada  tahap  ini  akan  melawati proses  pemanasan  dengan  suhu  dibawah
titik  leleh  serbuk  tersebut.  Partikel  serbuk perlu  diikat  setelah  dilakukan  penekanan sehingga  dilakukan  tahapan  sinter  dimana dengan  ini  juga  partikel  dan  sifat  fisik serbuk akan meningkat. Pembuatan paduan dengan metode ini terdiri  dari:  penyusunan dan  pencampuran  ( mixing ),  penekanan (kompaksi), dan pemanasan ( sintering ) [8]. Pada  tahap  awal,  metalurgi  serbuk akan dilakukan penyusunan ( mixing ) dimana  merupakan pemilihan  bahan logam yang  akan  digunakan  sesuai  dengan  hasil yang diinginkan. Bahan dipilih berdasarkan sifat  fisik  dan  mekanik  bahan  yang  ingin dihasilkan  dimana  hal  ini  dapat  diprediksi pada tahapan awal penelitian. Setelah proses penyusunan  selesai,  maka  selanjutnya dilakukan proses pencampuran dimana hasil akhir  paduan  logam  bergantung  pada keberhasilan tahapan ini dan wajib dilakukan dengan akurat sesuai karakteristik bahan penyusun paduan logam [8] . Selanjutnya, kompaksi atau penekanan yang merupakan proses pemadatan logam serbuk dengan memberikan  tekanan  pada  serbuk  logam hingga  terbentuk  sesuai  yang  diinginkan. Terdapat 2 jenis kompaksi yaitu terbagi atas penekanan  panas  ( hot  compaction )  dan penekanan  dingin  ( cold  compaction )  [8]. metode penekanan dingin ( cold compaction ) dilakukan  untuk  menghindari  terjadinya reaksi  oksida  pada  sampel  yaitu  matrik aluminium  yang  sangat  mudah  mengalami oksidasi [8] .
Selanjutnya adalah pemanasan ( sintering )  yang  merupakan  suatu  tahapan proses untuk meningkatkan partikel melalui proses pemanasan dibawah suhu  titik lebur bahan  yang  komposisinya  paling  banyak diantara  bahan  lain  pada  saat  dilakukan proses penekanan. Proses sintering memiliki pengaruh  besar  dalam  pembentukan  fase kristal  paduan  dimana  terbentuknya  fase fraksi tergantung dari suhu dan waktu pada proses sintering . Semakin tinggi temperatur saat  proses sintering maka  akan  semakin singkat  pula  proses  terbentuknya  kristal. Selain  itu,  tinggi  maupun  rendah  suatu temperatur  akan  mempengaruhi  ukuran
celah,  dan  struktur  terbentuknya  suatu kristal [9] .
Terakhir,  dilakukan  tahapan heat tratment pada  paduan  logam  aluminium dapat  dilakukan  dengan  cara  yaitu  dengan melakukan  proses  penuaan  keras  ( age hardening ). Dengan proses ini, paduan akan memiliki kekuatan maupun kekerasan yang besar  jika  dibandingkan  dengan  sebelum diberikan  perlakuan  penuaan  keras  [10] . Tahapan aging atau  penuaan  dilakukan dalam  proses age  hardening .  Terjadinya perubahan  sifat  seiring  dengan  berjalannya waktu  menunjukkan  bahwa  suatu  paduan mengalami  penuaan. Aging dalam  paduan logam dapat dikategorikan menjadi 2 jenis, yaitu penuaan alami atau natural aging dan penuaan buatan atau artificial aging [11] .
Untuk  mengetahui  struktur  mikro dan  kekerasan  suatu  bahan  yang  sudah diberi  perlakuan  khusus  maka  dilakukan suatu  uji  yaitu  dengan  menggunakan  uji difraksi  sinar-X  (XRD)  dan  uji Brinell . Keseluruhan XRD terdiri atas sumber sinar- X,  sampel  dan  detektor.  Senyawa  kimia suatu  sampel  dapat  diidentifikasi  dengan difraktometer sinar-X. Alat uji ini memiliki tolak  ukur  yaitu  dengan  menggunakan analisis  kuantitatif  dan  kualitatif.  Pada umumnya, data hasil dari tahapan proses ini digambarkan  dengan  grafik  I  =  f  (2θ) dimana  profil  dalam  kristal  menunjukkan senyawa kimia bahan dan juga karakteristiknya [12] .
Sedangkan, Pengujian Brinell merupakan jenis uji kekerasan dengan cara menusuk  atau  menekan  spesimen  dengan menggunakan  indenter  dengan  bentuk  bola baja  yang  sudah  dikeraskan  atau  karbida tungsten  [13] . Uji  ini  dilakukan  untuk mengetahui kondisi saat struktur mikro dari suatu  bahan  tidak  dapat  kembali  kebentuk semula  saat  diberikan  bahan  tersebut diberikan gaya.

## Metode Penelitian
Pada penelitian ini, metode penelitian  yang  digunakan  oleh  penulis adalah eksperimental. Adapun sampel yang digunakan  adalah One  Shoot  Study atau
“sample  sekali  pakai”.  Eksperimen  pada sample  dilakukan  dengan  sekali  treatment atau  perlakuan  sesuai  dengan  variasi  heat treatment  yanng  ditentukan.  Nantinya sample tersebut variasi sampel tersebut akan diuji dan darisitu didapatkan hasil yang akan dianalisa. Dari analisa dapat dilihat dampak perbedaan  variasi  waktu  heat  treatment terhadap  paduan  Cu-Zn-Al.  Diagram  alur proses  penelitian  ini  dapat  dirujuk  pada gambar 2. berikut.
Gambar 2. Diagram alir metode penelitian
Dalam penelitian ini penulis menggunakan bahan/material Cu,Zn dan Al dalam  bentuk fine  powder ,  yang  kemudian dicampurkan lalu di mixing selama 3 menit menggunakan ball  mill lalu  dikompaksi dengan  alat hydraulic  press selamat  15 menit  dengan  beban  10  ton.  Nantinya sample akan berbentuk seperti koin dengan tebal  ±4mm  dan  diameter  25mm  seperti gambar 3.

## Gambar 3. Hasil sampel
Setelah  sample  uji  jadi,  maka  dilanjutkan dengan  proses sintering pada  suhu  400℃ selama 1 jam untuk mencapai 2/3 titik leleh pada  paduan  tersebut.  Lalu  dilakukan quenching dengan suhu ruangan  selama 24 jam.  Setelah  semua  proses  selesai,  sampel dibawa ke labolatorium untuk dilakukan uji XRD dan uji kekerasan dengan variasi suhu aging 1,3  dan  5  jam  serta  sample  tanpa proses aging .
Nantinya akan diperoleh 4 data dari
4 sample yang berbeda (tanpa proses, aging
1  jam,  3  jam,  5  jam)  yang  akan  dianalisa untuk  mengetahui  perubahan  sifat  fisik (struktur mikro dan kekerasan) pada paduan tersebut.

## Hasil dan Pembahasan
Dari hasil pengujian XRD
menggunakan  alat  difraktometer  sinar-x pada  paduan  Cu-Zn-Al,  dapat  dilihat  ada beberapa difraksi puncak yang terdapat pada waktu aging 1,  3,  5  jam  dan  tanpa  proses aging . Data-data puncak tersebut yang dapat kita ambil nilainya untuk dijadikan perhitungan  ukuran  kristal,  regangan  kisi, kerapatan dislokasi.
Gambar 4. Pola difraksi sinar-x pada paduan Cu-Zn- Al tanpa proses aging dan dengan waktu aging 1,3 dan 5 jam
Terlihat dari Gambar 4, pola difraksi sinar-x tanpa proses aging dan waktu aging 1,3  dan  5  memiliki  kemiripan  pola  puncak yang  dimana  terjadi  pada  sudut  2θ  antara 35° sampai 74°.
Gambar 5. Perbandingan ukuran kristal paduan Cu- Zn-Al tanpa proses aging, aging 1 jam, 3 jam dan 5 jam
Gambar 6. Perbandingan regangan mikro paduan Cu-Zn-Al tanpa proses aging, aging 1 jam, 3 jam dan 5 jam
Gambar 7. Perbandingan kerapatan dislokasi paduan Cu-Zn-Al tanpa proses aging, aging 1 jam, 3 jam dan 5 jam
Gambar  5,  6  dan  7  memperlihatkan perbandingan  ukuran  kristal,  kerapatan dislokasi  dan regangan mikro yang dimana grafik  terbentuk  dengan  antar  proses aging tidak  jauh  berbeda  satu  dengna  lainnya. Sedangkan paduan tanpa proses aging jauh berbeda  dengan  paduan  yang  diberlakukan proses aging . Namum jika dilihat pada sudut 72°-73°  terlihat  ada  kesamaan  antar  proses aging 3,  5  dan  tanpa  proses aging .  Pada proses aging 3  dan  5  jam  terjadi  proses overaged yang menyebabkan ukuran kristal, kerapatan  dislokasi  dan  reganan  mikro kembali seperti awal. Ini disebabkan karena
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 30 40 50 60 70 80 C ry stal size ( Å ) 2Ɵ ( degree ) 1 JAM 3 JAM 5 JAM No Proses 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 30 40 50 60 70 80 R eg an g an m ik ro (Ε) 2ɵ (degree) 1 JAM 3 JAM 5 JAM No Process 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 30 40 50 60 70 80 K er ap atan d is lo k asi (g ar is /m m ²) 2ɵ (degree) 1 JAM 3 JAM 5 JAM
No Process
terbentuknya fasa martensite. Semakin lama waktu aging maka  semakin  besar  ukuran kristal.  dengan  besarnya  ukuran  kristal menybabkan kekerasan semakin meningkat. Bisa kita lihat pada pembahansan kekerasan paduan. Pada Gambar 1 terlihat bahwa pada waktu aging 1,3  dan  5  jam  memiliki  pola difraksi  dengan  intensitas  tertinggi  pada sudut 2θ = 43°. Sedangkan puncak-puncak lainnya terletak pada daerah 36° sampai 74°. Jika kita merujuk pada hasil penelitian oleh Bambang Sunendar, Suyatman dan Chriswan  Sungkono  dari  Departemen Teknik Fisika, FTI - ITB mengenai paduan Cu-Al-Ni [14], senyawa tersebut diidentifikasi  sebagai  struktur  martensite tipe 18R (fasa β1) [15].

## Gambar 8. Perbandingan tingkat kekerasan dalam satuan Brinell
Pada  gambar  8.  melihatkan  bahwa terjadi  peningkatan  kekerasan  dari  paduan tanpa proses aging ke paduan dengan waktu aging 1  jam  sebesar  72  HBN.  Hal  ini disebabkan karena terjadinya dislokasi atom yang menyebabkan meningkatnya kekerasan ketika paduan Cu-Zn-Al diberikan  perlakuan  panas  ( aging )  [16].
Namun,  semakin  lama  perlakuan aging , maka semakin lemah tingkat kekerasannya. Ini  bisa  disebabkan  oleh  terbentuknya endapan  hitam  pada  butiran  yang  efeknya akan  mengurangi  kemampuan  pemulihan bentuk  (SME)  pada  paduan  Cu-Zn-Al tersebut  [4]. Terjadinya  penurunan ini juga disebabkan  karena  terciptanya  daerah overaged.  Pada  daerah  overaged  makan akan terbentuk fasa ϴ. Jika fasa ϴ ini muali terbentuk,  akan  mengakibatkan  paduan alumunium  menjadi  lunak  kembali  dan
berkurang kekerasannya. Ini dapat dibuktikan  dengan  bertambahnya  ukuran kristal  dari  waktu aging 1  jam  ke  waktu aging 5 jam. Semakin besar ukuran kristal, maka kekerasan suatu paduan akan semakin menurun. Tingkat kekerasan juga dipengaruhi oleh komposisi jumlah Zn dan Al pada paduan [16].

## Kesimpulan
Setelah dilakukan pengujian dengan variasi  waktu aging ,  didapatkan  perubahan signifikan  pada  sifat  fisik  (struktur  mikro dan  kekerasan)  paduan  Cu-Zn-Al.  Terjadi perubahan ukuran krisal, kerapatan dislokasi dan  regangan  kisi  dengan  rata-rata  tanpa proses aging sebesar  7,282  Å,  0,020 garis/mm2,  12%.  Ketika  melaui  proses aging selama  5  jam  rata-ratanya  menjadi 5,7289  Å,  0,047  garis/mm2,  17%.  Untuk nilai kekerasan sendiri mengalami kenaikan yang  awal  tanpa  proses  sebesar  303  HBN naik  menjadi  375,  351,  320  HBN  dengan variasi proses aging 1, 3 dan 5 Jam. Namun terjadi proses overaged ketika proses aging memasukki  waktu  3  dan  5  jam  yang menyebabkan kekerasan semakin menurun. Kurangnya  sample  variasi  waktu aging menyebabkan penelitian ini menjadi kurang optimal.  Untuk  penelitian  selanjutnya sebaiknya  ditambahkan  variasi  waktu  yang lebih lama agar mendapatkan hasil (pengaruh waktu aging ) yang lebih akurat.

## Referensi
[1] H. Wen, T. D. Topping, D. Isheim, D. N.  Seidman,  and  E.  J.  Lavernia, “Strengthening  mechanisms  in  a high-strength  bulk  nanostructured Cu-Zn-Al alloy processed via cryomilling and spark plasma sintering ,” Acta Mater. , vol. 61, no. 8, pp. 2769–2782, 2013, doi:
10.1016/j.actamat.2012.09.036.
[2] P.  S.  Lobo,  J.  Almeida,  and  L. Guerreiro,  “ Shape Behaviour:  A Review,” Procedia  Eng. ,  vol.  114, pp.
776–783, 2015, doi: 10.1016/j.proeng.2015.08.025.
0 100 200 300 400 Tanpa Proses Aging
200℃, 1 jam Aging 200℃, 3 jam Aging 200℃, 5 jam k ek er asan ( HB N) ) Waktu aging
[3] J. Mohd Jani, M. Leary, A. Subic, and M.  A.  Gibson,  “A  review  of shape memory  alloy research,  applications and opportunities,” Mater. Des. , vol. 56,  pp.  1078–1113,  2014,  doi: 10.1016/j.matdes.2013.11.084.
[4] R.  Dasgupta,  “A  look  into  Cu-based shape memory alloys : Present scenario  and  future  prospects,” J. Mater.  Res. ,  vol.  29,  no.  16,  pp.
1681–1698, 2014, doi: 10.1557/jmr.2014.189.
[5] G.  Saha,  M.  Ghosh,  A.  Antony,  and K. Biswas, “Ageing Behaviour of Sc- Doped  Cu–Zn–Al Shape ,” Arab.  J. Sci.  Eng. ,  vol.  44,  no.  2,  pp.  1569– 1581,  2019,  doi:  10.1007/s13369- 018-3621-4.
[6] “ Shape :  Part  One:  Total  Materia
Article,” 2008. https://www.totalmateria.com/page.a spx?ID=CheckArticle&site=ktn&N M=207 (accessed Jan. 02, 2023).
[7] Barnes;  Clive,  “Innovations:  Shape Memory  and  Superelastic  Alloys,” July ,
1999.
https://www.copper.org/publications/ newsletters/innovations/1999/07/sha pe.html (accessed Jan. 20, 2023).
[8] D.  Kopeliovich,  “Die  pressing  of metallic powders [SubsTech],”
SubsTech (Substances & Technoogy) , 2012. http://www.substech.com/dokuwiki/ doku.php?id=die_pressing_of_metall ic_powders
[9] F.  V.  Lenel, Powder  metallurgy : principles and applications . Princeton, New Jersey, 1980.
[10]  I. Kamenichny, A Short Handbook Of Heat  Treatment .  Peace  Publishers Moscow, 1969.
[11]  A.  Schonmetz,  K.  Gruber,  and  T. Eddy D. (Eddy Djuhdy) Hardjapamekas, Pengetahuan  bahan dalam pengerjaan logam : pengerjaan  benda-benda  setengah jadi, pengertian dasar kimia, pengertian  dasar  fisika, unsur-unsur mesin/Alois Schonmetz, Karl Gruber .
Bandung: Angkasa, 1985.
[12]  J.  Epp, X-Ray  Diffraction  (XRD) Techniques for Materials Characterization . Elsevier Ltd, 2016.
doi: 10.1016/B978-0-08-100040- 3.00004-3.
[13]  R.  Hill,  B.  Storakers,  and  A.  B. Zdunek,  “A  theoretical  study  of  the Brinell hardness test,” Proc.  R.  Soc. London. A. Math. Phys. Sci. , vol. 423, no.  1865,  pp.  301–330,  1989,  doi: 10.1098/rspa.1989.0056.
[14]  Bambang  Sunendar,  S.  Suyatman, and  C.  Sungkono,  “Persiapan, Pembuatan Dan Karakterisasi Paduan Ingat Bentuk Cu-Al-Ni _ Sunendar _ Jurnal  Sains  Materi  Indonesia”,  doi:
10.17146/jsmi.2006.7.3.4989.
[15]  J. Gui, C. Luo, W. Hu, and R. Wang, “The  effect  of  thermal  treatment  on the structure and fine structure of Cu -  Zn  -  AI  martensite,”  vol.  25,  pp. 1675–1681, 1990.
[16]  N.  Kayali,  S.  Özgen,  and  O. Adigüzel,  “The  influence  of  ageing on  martensite  morphology  in  shape memory CuZnAl alloys,” J. Phys. IV
JP ,  vol.  7,  no.  5,  1997,  doi:
10.1051/jp4:1997550.