## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:
PERLAKUAN TERMOMEKANIK PADUAN TITANIUM HASIL CORAN VACCUM ARC MELTING

## Fendy Rokhmanto
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pamulang
E-mail : fendy.rokhmanto@gmail.com
Masuk : 16 Februari 2021 Direvisi :  5 Maret 2021             Disetujui : 17 Maret 2021
Abstrak : Titanium dan paduanya merupakan salah material logam yang tangguh, sehingga banyak diaplikasikan pada aerospace, marine, oil and gas, biomedical, olah raga, otomotif dan lain-lain. Produk Titanium, dapat diperoleh dari beberapa proses manufaktur yaitu casting, machining, forming, dan powder metallurgy . Produk akhir, ingot hasil coran ataupun produk setengah jadi paduan Titanium dapat dimodifikasi sifat mekanisnya dengan proses heat treatment dan thermomechanical treatment . Pada penelitian ini dilakukan investigasi perubahan sifat mekanis dalam hal ini kekerasan dan struktur mikro paduan titanium.  Ingot paduan Titanium  Ti-Al-Nb dibuat dengan proses remelting logam paduan dalam tungku busur lustrik vakum. Kemudian ingot hasil coran dilakukan proses homogenisasi pada temperatur 1100 °C selama 12 jam dengan pendinginan didalam tungku dan dilanjutkan dengan hot roll dengan pemanasan awal 1100 °C dan waktu  tahan 1  jam yang kemudian dilakukan quenching . Karakterisasi paduan dilakukan pada setiap kondisi perlakuan,  adapun  karakterisasinya  adalah  pengamatan  stuktur  mikro  menggunakan  foto  metalografi,  SEM  dan  uji keras  dengan  metode  Rockwell  C.  Pengamatan  metalografi  menunjukkan  bahwa  paduan  merupakan  alfa-beta Titanium.  Proses  pengulangan  remelting  tidak  memberikan  efek  signifikan  terhadap  peningktan  kekerasan  paduan. Proses thermomekanikal treatment mengakibatkan perubahan bentuk mikrostruktur dari interdendritic menjadi plate- like dan nilai kekerasan menjadi 52 HRc pada 3 kali remelting dan 50.5 HRc pada 5 kali remelting
Kata kunci : titanium, vacuum arc melting, termomekanik, pengecoran
Abstract: Titanium  and  its  alloys  are  widely  used,  such  as  in  aerospace,  marine  oil  and  gas,  biomedical,  sports, automotive  and  others,  because  of  the  toughness  of  the  materials.  Casting,  machining,  forming,  and  powder metallurgy  are  the  manufacturing  process  for  making  titanium  products.  The  properties  of  the  ingots,  intermediate product and also  the end product of titanium can be modified with heat  treatment and thermomechanical treatment. This paper studied the hardness and phase transformation during the thermomechanical treatment of titanium alloys, Ti-Al-Nb.  The  ingot  was  prepared  by  vacuum  arc  melting,  then  homogenized  at  1100  °C  for  12  hours,  with  furnace cooling. After that, the alloys  were hot rolled with  preheat  at 1100 °C for 1 hour followed by water quenching.  The alloys were characterized with an optical microscope and SEM to investigate the microstructure and Rockwell C test to investigate  the  hardness.  The  metallographic  shows  that  the  alloys  are  alpha-beta  titanium  with  the  inter-dendritic structure  in  an  as  cast  product  that  transforms  to  plate  like  structure  after  the  thermomechanical  process.  The thermomechanical  process  also  affected  the  hardness  up  to  52  HRc  in  3  times  remelting  and  50.5  HRc  in  5  times remelting, but the remelting not any significant difference at as cast condition
Keywords: titanium, vacuum arc melting, thermomechanical process, casting

## PENDAHULUAN
Titanium dan paduanya merupakan salah material logam yang tangguh, sehingga banyak diaplikasikan pada berbagai macam bidang kehidupan. Beberapa bidang aplikasinya antara lain pada industri aerospace, marine, oil and gas, biomedical, olah raga, otomotif dan lain-lain[1,2].  Ketangguhan yang dimiliki oleh paduan Titanium, secara mikroskopis dipengaruhi oleh fasa-fasa  yang  terbentuk  dalam  padaan.  Fasa-fasa  ini  juga  dijadikan  sebagai  pengklasifikasian  tipe  padan  Titanum, yaitu  α Titanium, α-β titanium dan β Titanium [1,2].  Fasa alfa yang mempunyai strukur kirstal HCP, dalam paduan distabilkan oleh beberaa  unsur  antara  lain,  Nitrogen,  Oksigen,  dan  Alumunium,  sedangkan  fasa  beta  yang  mempunyai  strukur  kirstal  BCC distabilkan oleh, Vanadium, Ferrous, Chromium, Molydenum, dan Niobium[1,2].
Produk  Titanium,  dapat  diperoleh  dari  beberapa  proses  manufaktur  yaitu casting,  machining,  forming,  dan  powder metallurgy [1].  Produk  akhir,  ingot  hasil  coran  maupun  produk  setengah  jadi  paduan  Titanium  dapat  dimodifikasi  sifat mekanisnya dengan proses heat treatment dan thermomechanical treatment . Proses tersebut dilakukan pada temperatur diatas temperatur beta transus yaitu 995 °C[3], hal ini dikarenakan diatas temperataur tersebut paduan berada dalam fasa beta dengan struktur kristal BCC sehingga mudah untuk dibentuk.
Pada penelitian ini dilakukan investigasi pada perubahan sifat mekanis dalam hal ini kekerasan paduan dan struktur mikro paduan titanium, dalam kondisi ingot hasil coran dan setelah proses heat treatment dan thermomechanical treatment . Ingot paduan yang digunakan  adalah Ti-Al-Nb hasil pengecoran dengan tungku busur listrik vakum ( vaccume arc melting ).

## METODOLOGI
Ingot paduan Titanium dibuat dengan proses remelting logam paduan dangan berat ingot 20 gram. Logam paduan yang digunakan adalah Alumium dan Niobium, dengan kompisisi 6% dalam persen berat dan sisanya adalah Titanium. Tiga logam paduan  tersebut  dilelehkan  ulang  dalam  tungku  busur  lustrik  vakum,  yang  kemudian  diulang  sebanyak  3  kali  dan  5  kali, sedemikian  hingga  paduan  terbentuk  secara  homogen.  Kemudain  ingot  hasil  coran  dilakukan  proses  homogenisasi  pada temperatur 1100 °C selama 12 jam dengan pendinginan didalam tungku dan dilanjutkan dengan pengerolan dengan pemanasan awal 1100 °C dengan waktu tahan 1 jam yang kemudian dilakukan quenching. Karakterisai padauan dilakukan pada setiap kondisi perlakuan, adapun karakterisasinya adalah pengamatan stuktur mikro menggunakan foto metalografi, SEM-EDX dan uji keras dengan metode Rockwell C.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 1 adalah struktur mikro paduan Ti-Al-V yang merupakan salah satu paduan alfa beta yang banyak digunakan di industri. Gambar 2 dan Gambar 3 adalah foto struktur mikro paduan titanium Ti-6Al-6Nb, dengan kondisi remeliting 3 kali dan 5 kali. Gambar 2a dan Gambar 3a padauan dalam hasil coran, tampak terbentuk fasa alfa pada batas butir dengan warna lebih cerah dan fasa beta lebih gelap. Hal ini mirip dengan paduan Ti-Al-V, seperti yang tampak pada gambar 1 dan mirip dengan penelitian paduan alfa-beta terdahulu yaitu Ti-Al-Mo[4-6]. Gambar 2b dan Gambar 3b setelah dilakukan homogenaisai, fasa yang terbentuk adalah plate-like alfa dan fasa beta yang tersebar di dalam butir, yang tampak seperti struktur perlit dalam baja. Secara kualitatif fasa alfa yang terbentuk juga menjadi lebih besar, hal ini sesuai dengan innvestigasi yang dilakukan oleh C. Sutowo  pada  penelitian  terdahulu[7].  Pada  proses  remelting  3x plate-like alfa  yang  terbentuk  lebih  kecil  bila  dibandingkan dengan  5x  remeliting.  Gambar  2c  dan  Gambar  3c  setelah  proses  hot  roll,  tampak  struktur  butiran  menjadi  lebih  pipih  dan memanjang searah rolling dirction . Gambar 4 dan Gambar 5 adalah foto SEM paduan titanium Ti-6Al-6Nb, dengan kondisi remeliting  3  kali  dan  5  kali.  Tampak  bahwa  terbentuk  fasa  alfa  dan  fasa  beta.  Fasa  yang  terbentuk  bertansformasi  dari interdenritic pada kondisi as cast menjadi lamelar atau plate-like pada kondisi setelah perlakuan panas. Pada perbesaran 1000x tampak bahwa bentuk plate-like alfa terbentuk pada batas butir, sehingga nampak butiran menjadi lebih kecil setelah proses homogenisasi (5b) dibandingkan dengan kondisi as cast (2a).
Gambar 1. Struktur mikro padauan Ti-Al-V [1]
Gambar 2. Struktur mikro padauan Ti-6Al-6Nb 3 kali remelting: as cast (a), homogenisai (b), hot roll (c), Perbesaran 200x. Etsa HF : HNO 3 : H 2 O = 10 : 5 : 85
Gambar 3. Struktur mikro padauan Ti-6Al-6Nb 5 kali remelting: as cast (a), homogenisai (b), hot roll (c), Perbesaran 200x. Etsa HF : HNO 3 : H 2 O = 10 : 5 : 85
Gambar 4. Foto SEM Ti-6Al-6Nb 3 kali remelting: as cast (a), homogenisai (b), hot roll (c), Perbesaran 1000x.
a α a b c b c β α β arah roll arah roll arah roll arah roll α β a b c a b
Gambar 5. Foto SEM Ti-6Al-6Nb 5 kali remelting: as cast (a), homogenisai (b), hot roll (c), Perbesaran 1000x.

## Gambar 6. Grafik uji keras ingot paduan Ti-6Al-6Nb
Gambar 6. merupakan grafik hasil uji keras paduan Ti-6Al-6Nb. Tampak bahwa pada konidisi as cast nilai kekerasan adalah  53  HRc.  Nili  kekerasan  pada  perlakuan  3  kali  dan  5  kali  proses  remelting  tidak  menunjukkan  perbedaan,  hal  ini mengindikasikan bahwa variasi proses remelting tidak memberi dampak apapun pada kekerasannya. Dapat juga disimpulkan bahwa tidak perlu dilakukan pengulangan remelting karena paduan sudah homogen, dan tidak terjadi segregasi kimia. Hal ini juga dapat dilihat pada hasil metalografi, strukmur mikro yang tampak juga identik diantara keduanya (Gambar 2a dan Gambar 3a).
Pada kondisi setelah homogenisasi nilai kekerasan turun menjadi 48 HRc pada kondisi 3 kali remelting dan menjadi 44.5 HRc pada kondisi 5 kali remelting. Penurunan nilai kekerasan ini dikarenakan hilangnya struktur interdendritic khas produk coran yang bersifat keras dan getas, menjadi struktur lamellar atau plate-like . Nilai kekerasan pada proses 3 kali remelting lebih tinggi bila dibandingkan dengan kondisi 5 kali remelting, hal dikarenakan oleh struktur plate like pada 3 kali remelting lebih kecil atau lebih halus. Demikian halnya pada baja ketika memliki struktur perlit yang lebih halus maka baja tersebut lebih keras bila dibandingkan dengan struktur perlit yang lebih kasar, hal ini berkaitan dengan dislokasi dan pengerasan regangan yang terjadi  di  dalamnya.  Dislokasi  dan  pengerasan  regangan  juga  berperan  meningkatkan  kekerasan  setelah  dilakukan  prosess pengerolan[8]. Hal ini diakibatkan karena mekanisme work hardening, dalam penelitian ini adalah proses hot rolling yang juga menimbulkan  tegangan  sisa  hingga  mengakibatkan  kekerasan  paduan  mencapai  lebih  dari  50  HRc.  Peningkatan  kekerasan pada paduan Titanium selain karena porses pengerolan[9],  juga diakibatkan adanya pembentukan fasa intermetalik TiAl 3, yang disebut sebagai fasa alfa dengan struktur kristal HCP[10].
arah roll
α β c

## KESIMPULAN
Karakterisasi  paduan  Titanium  Ti-6Al-6Nb  telah  dilakukan.  Pengamatan  metalografi  menunjukkan  bahwa  paduan merupakan  alfa-beta  titanium,  diindikasikan  dengan  terbentuknya  fasa  alfa  dan  beta.  Proses  pengulangan  remelting  tidak memberikan  efek  signifikan  terhadap  peningktan  kekerasan  paduan.  Proses  thermomekanikal  mengakibatkan  perubahan bentuk mikrostruktur dari interdendritic menjadi plate like dan nilai kekerasan menjadi 52 HRc pada 3 kali remelting dan 50.5 HRc pada 5 kali remelting

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Matthew J. Donachie, Jr, 2000 “Ti A Technical Guide”, The Material Information Society, ASM Hand Book, Second Edition.
[2] C. Leyens and M. Peters, 2003, “Titanium and Titanium Alloys Fundamentals and Applications.”, WILEY- VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
[3] Obasi, G.C. et al., 2012. “The Influence of Rolling Temperature on Texture Evolution and Variant Selection During α → β → α Phase Transformation in Ti–6Al–4V ” . Acta Materialia, 60 (17), pp.6013–6024.
[4] Cahya  Sutowo.  dkk.,  2017.,  “Proses  Perlakuan  Termomekanis  pada  Paduan  α/β  Ti-6Al-6Mo  sebagai Alternatif Baru untuk Aplikasi Biomedis”, Widyariset. Vol. 3 No. 1 Hlm. 47 – 54
[5] Fendy  Rokhmanto.  dkk.,  2016.,  “Perlakuan  Termomekanikal  Ingot  Paduan  Ti-Al-Mo”.,  Prosiding  Seminar Nasional  Sains  dan  Teknologi  2017.,  Fakultas  Teknik  Universitas  Muhammadiyah  Jakarta  ,  8  November 2016.
[6] Cahya  Sutowo.  dkk  .,  2016.,  “Pembentukan  Struktur  Mikro  Paduan  Titanium  Ti6Al6Mo  As  Cast  Sebagai Bahan Dasar Implan.”., Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2017., Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 8 November 2016.
[7] Fendy  Rokhmanto., et al.,  2017., “Influence of Solution Treatment Cooling Medium on Microstructure  and Elastic  Modulus  Ti-6Al-6Mo  For  Biomedic  Applications”.,  Proceedings  of  the  International  Seminar  on Metallurgy and Materials (ISMM2017)., https://doi.org/10.1063/1.5038331.
[8] Callister, W.D. & Wiley, J., Materials Science, 2009, “Materials science and engineering: an  introduction”, John Wiley & Sons, Inc. Eight Editon.
[9] Fendy  Rokhmanto.  dkk.,  2017.,“  Perlakuan  Termomekanikal  Paduan  Ti-Al-V  Sebagai  Material  Implan”, Prosiding  Seminar  Nasional  Sains  dan  Teknologi  2017.,  Fakultas  Teknik  Universitas  Muhammadiyah Jakarta, 1-2 November 2017.
[10] Ninomi  Mitsuo,  1998  “Mechanical  Properties  of  Biomedical  Ti  Alloys”,  Elsevier  Material  Science  and Engineering A 243 231-236.