## PENGARUH PENAMBAHAN CU DAN SOLUTION TREATMENT
TERHADAP SIFAT MEKANIS DAN STRUKTUR MIKRO PADA ALUMINIUM PADUAN A356
Suherman dan Syahputra
Program Studi Teknik Mesin, Politeknik Tanjungbalai Kampus Jl. Sei Raja, Kel Sei Raja Kota Tanjungbalai - SUMUT E-mail: herman_me_itm@yahoo.com

## Abstrak
Tujuan  penelitan  ini  adalah  untuk  mengetahui  pengaruh  penambahkan  Cu  dan  Solution Treatment pada  paduan A356  terhadap  struktur  mikro dan kekerasan  pada  hasil  coran kepala silinder (head cylinder) sepeda motor 2 Tak yang dicor dengan metode lost foam casting (LFC). Aluminium  paduan  A356  sebelum  dan  sesudah  penambahan  Cu  dilebur  menggunakan  dapur krusibel dan selanjutnya dituangkan kedalam pola styrofoam. Proses perlakuan panas solution treatment  T-6  diterapkan  dengan  memanaskan  hasil  coran  prototipe  head  cylinder  pada temperatur  540  C  dengan  waktu  tahan  selama  4  jam  dan  selanjutnya  dilakukan  quenching kedalam  media  pendingin  air  hangat  pada  temperatur  70  C.  Proses  Age  Hardening  dilakukan dengan  memanaskan kembali coran pada  temperatur  170 C selama 2  jam. Hasil  penelitian ini menunjukkan  bahwa  penambahan  Cu  sebesar  3%  pada  paduan  A356  meningkatkan  nilai kekerasan  benda  cor  baik  pada  bagian  sirip  maupun  pada  bagian  alas  dari  hasil  coran  head cylinder.  Perlakuan  panas  solution  treatment  pada  benda  hasil  coran  sebelum  dan  setelah penambahan  Cu  memberikan  peningkatan  nilai  kekerasan  benda  cor.  Dari  hasil  pengamatan stuktur  mikro  menunjukkan  terjadi  perubahan  struktur  mikro  pada  hasil  coran  paduan  A356 setelah proses solution treatment pada  paduan A356 baik sebelum dan sesudah penambahan Cu
Kata kunci : aluminium A356, head cylinder, lost foam casting, penambahan Cu

## 1. Pendahuluan
Pengecoran lost  foam merupakan langkah baru dalam memproduksi benda- benda dengan metode pengecoran. Pada saat ini belum banyak industri pengecoran  logam  yang  menggunakan metode  ini  dalam  memproduksi  benda cor. Sedikitnya industri yang menerapkan metode pengecoran ini mungkin dikarenakan  banyak  industri  pengecoran yang  belum  banyak  mengetahui  seluk beluk metode pengecoran lost foam . Metode lost  foam  casting (LFC) menggunakan  pola  dari styrofoam atau busa polystyrene yang dimasukkan dalam pasir  cetak.  Salah  satu  kelebihannya adalah  keleluasaan  dalam  desain  pola coran.  Coran  dengan  bentuk  relatif  rumit yang  sulit  dibuat  dengan  metode  lain dapat dibuat dengan metode ini [1].
Logam  cair  dimasukkan  melalui saluran  tuang  dan  pola  akan  terurai karena  panas  logam  cair  saat  masuk  ke pola.  Hasil  uraian  pola  akan  melewati
lapisan dan keluar melalui pasir.  Setelah cukup  dingin,  benda  cor  diambil  dan dilakukan perlakuan panas jika diperlukan [8].
Dalam  beberapa  aplikasi,  bagian- bagian  pola  dilem  untuk  mendapatkan bentuk  keseluruhan  dari  benda  yang komplek. Sistem saluran dirangkai dengan  cara  dilem  menyatu  dengan rangkaian  pola.  Beberapa  pola  dapat dilakukan  pengecoran  dengan  dirangkai dalam satu sistem saluran.
Akhir-akhir  ini  paduan  Aluminium A356  banyak  dipakai  terutama  pada komponen  otomotif  karena  mempunyai beberapa kelebihan bila dibanding dengan aluminium paduan lainnya. Kelebihan  paduan  ini  antara  lain  lebih ringan  dibanding  dengan  besi  dan  baja, ketahanan  korosi  yang  baik,  tahan terhadap  retak  panas (hot  tearing), mampu mesin dan las yang baik [10].
Komposisi  paduan  dan  pemilihan proses pengecoran sangat mempengaruhi    struktur  mikro  dari aluminium paduan. Ada beberapa metode yang digunakan dalam proses pembuatan komponen  automotif  seperti  dengan cetakan  pasir,  cetakan  permanen,  high pressure  die  casting  dan  dengan  metode lost  foam  casting .  Metode evaporative (lost foam casting) merupakan salah satu metode pengecoran yang dapat
digunakan  untuk  menghasilkan  produk dari bahan aluminium paduan.
Penambahan  Cu  pada  aluminium paduan  sebesar  4-10%  Cu  sangat  luas penggunaannya  terutama  sekali  untuk komponen  automotif  seperti  blok  dan kepala  silinder.  Penambahan  Cu  pada paduan aluminium memperbaiki kekuatan dan  kekerasan  hasil  coran  tanpa  dan dengan perlakuan panas. Penambahan 4 -6%  Cu  sangat  kuat  terhadap  respon untuk dilakukan heat treatment . Penambahan  Cu  umumnya  mengurangi ketahanan  terhadap  serangan  korosi, pada  kondisi  tertentu  dan  material tertentu  sangat  peka  terhadap  serangan korosi  tegangan.  Penambahan  Cu  juga mengurangi  ketahanan  terhadap  retak panas (hot  tearing) dan  mengurangi mampu cor ( castability) [1].
Pengecoran lost  foam juga  memiliki beberapa  kekurangan  seperti  banyaknya cacat  pada  benda  cor  seperti  porositas, cacat  lipatan (lipatan) , blister (melepuh), adanya  gap  antara  bagian  yang  satu dengan  bagian  yang  lain  pada  pola  yang dirangkai.  Selain  itu  pada  porositas  pada benda cor yang dihasilkan dari pengecoran  aluminium  dengan  pola polystyrene foam lebih
tinggi dibandingkan  dengan  cetakan  pasir.  Hal ini  menunjukkan  bahwa  sulit  untuk mendapatkan  kekuatan  mekanik  yang lebih  baik  pada  pengecoran  aluminium tanpa perlakuan (treatment) tertentu [6]. Proses pembersihan dan pemesinan dapat dikurangi secara dramatis  [7].  Pencemaran  lingkungan karena emisi bahan-bahan pengikat dan pembuangan pasir dapat dikurangi karena tidak menggunakan bahan pengikat  dan  pasir  dapat  langsung digunakan kembali [7].
Proses perlakuan panas ( heat treatment) pada  hasil  coran  sangat penting  karena  biasanya  digunakan untuk meningkatkan sifat mekanis paduan aluminium cor. Perlakuan panas memperbaiki  kekuatan  dari  aluminium paduan  melalui  proses  yang  dikenal sebagai  pengerasan  presipitasi  yang terjadi selama pemanasan dan pendinginan  dari  paduan  aluminium  dan dimana  presipitasi  yang  terbentuk  di aluminium matriks. Peningkatan sifat mekanik paduan Al akibat panas tergantung pada
perubahan  kelarutan  konstituen  paduan dengan temperatur tertentu.
Pertama sekali yang harus dilakukan adalah  proses  solution  treatment  pada suhu  dibawah  suhu  eutektik  dengan waktu  cukup  lama  untuk  memungkinkan dilakukan solution treatment tahap kedua  dengan  mecelupkan  kedalam media pendingin. Selanjutnya dipanaskan  kembali  pada  temperatur yang  rendah  dengan  waktu  tertentu. Solution heat treatment harus diterapkan untuk  jangka  waktu  yang  cukup  untuk mendapatkan  struktur  jenuh  homogen yang  diikuti  dengan quenching dengan tujuan  mempertahankan  struktur  jenuh pada suhu kamar.
Perlakuan  panas  T6  yang  diterapkan pada  paduan  aluminium  Al-Si-Mg  (A356) dengan penambahan modifier meningkatkan kekuatan tarik [4,12]. Selain  meningkatkan  kekuatan  tarik, perlakuan  panas  T6  juga  meningkatkan nilai  kekerasan  [12,13]  dan  kekuatan impak hasil cor [13].
Pada proses solution heat treatment T6  pada  paduan  Al-Si-Mg,  temperatur pemanasan yang paling baik adalah pada temperatur  540-550 o C  [9].  Temperatur pemanasan  pada age  hardening sangat mempengaruhi sifat mekanis dari aluminium  paduan  Al-Si.  Temperatur pemanasan  pada  proses  age  hardening yang  paling  optimum  antara  150  -200  C [5]. Oleh  karena  itu  penambahan  Cu  dan solution  treatment  diharapkan  mampu meningkatkan  sifat  mekanis (mechanical Edisi Cetak Jurnal Dinamis, Januari 2014 (ISSN: 0216-7492)
properties) seperti kekerasan pada paduan  aluminium  A356  yang  digunakan untuk  membuat  komponen  automotif seperti kepala silinder.

## 2.  Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan styrofoam polystyrene sebagai  pola  cetakan  dan saluran  turun  untuk  membuat  kepala silinder  sepeda  motor  2  tak. Styrofoam diperoleh  dari  bekas  packing  alat-alat elektronik  yang  sudah  tidak  digunakan lagi dan Styrofoam lembaran. Bahan dari styrofoam dipotong  menjadi  bentuk  sirip dan dasar kepala silinder dengan menggunakan  pemotong  listrik  sesuai dengan ukuran yang telah ditentukan.
Potongan-potongan  pola  sirip  dan dasar  kepala  silinder  dirangkai  dengan menggunakan lem styrofoam. selanjutnya masukkan  pola  cetakan  kedalam  kotak, kemudian  timbun  dengan  pasir  silika hingga  seluruh  permukaan  pola  cetakan tertutup  oleh  pasir  silika  hingga  seluruh permukaan  pola styrofoam tertutup  oleh pasir silika.
Balik  rangka  cetak  dan  buka  penutup rangka  cetak  bagian  atas,  seka  pasir hingga tampak permukaan saluran masuk pola. Bersihkan pasir dipermukaan saluran  masuk  pola  dan  pola  cetak  siap untuk  dituangi.  Langkah  selanjutnya adalah  dengan  mengguncang  kotak tempat  pola  dan  pasir  silika  diletak  agar pasir silika benar-benar mengisi keseluruh rongga-rongga sehingga benar- benar padat.
Paduan aluminium A356 sebelum dan sesudah penambahan Cu dilebur didalam dapur krusibel pada temperatur tuang 750 o C.  Untuk  mengangkat  kotoran-kotoran yang ada didalam aluminium cair digunakan  flux  dengan  jenis  coveral. Setelah paduan aluminium sudah mencair masukkan kawat tembaga kedalam cairan logam.  Untuk  menambahkan  Cu  sebesar 3%  kedalam  aluminium  cair  digunakan
kawat  tembaga  murni  yang  dimasukkan kedalam  aluminium  cair  dengan  berat tertentu  sehingga  didapatkan  porsentase Cu sebesar 3%.
Setelah temperatur tuang telah tercapai, tuangkan aluminium cair kedalam  pola styrofoam dengan  tenang dan  perlahan  sampai  keseluruhan  logam cair  mengisi  dari  pola.  Tunggu  hasil benda  cor  benar-benar  dingin,  lalu keluarkan hasil coran dari pasir silika dan bersihkan  hasil  coran  dari  pasir  yang menempel.  Spesimen  uji  didapatkan  dari hasil  coran  prototype  kepala  silinder dengan  cara  memotong  pada  pada bagian  sirip  dan  alas  dari  benda  cor kepala  silinder.  Benda  cor  sebelum  dan sesudah  penambahan  Cu  diuji  komposisi kimia,  kekerasan  dan  diamati  struktur mikronya menggunakan mikroskop optik.
Selanjutnya spesimen uji diberi perlakuan  panas  T6  yaitu  dengan  cara memanaskan benda cor pada temperatur 540 o C  selama  4  jam  didalam electric furnace dan  setelah  itu  secara  cepat dicelupkan  kedalam  media  pendingin  air hangat dengan temperatur 70 C. Langkah selanjutnya  adalah  yaitu  proses age hardening dimana  spesimen  dipanaskan kembali  pada  temperatur  170  dengan waktu tahan selama 2 jam.

## 3.  Hasil dan Pembahasan
3.1. Pengujian Komposisi Kimia Untuk  mengetahui  komposisi  paduan Aluminium yang digunakan dalam penelitian  ini  menggunakan  spectrometer analisis.  Hasil  uji  komposisi  kimia  bahan yang  digunakan  sebelum  dan  sesudah penambahan Cu sebagaimana ditunjukkan pada tabel 1. Dari  hasil  pengujian  komposisi  kimia bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah  termasuk  golongan  aluminium paduan A356 hypoeutectic dengan jumlah porsentase Si sebesar 7%.

## Tabel 1. Hasil pengujian komposisi kimia
Material Al Si Fe Cu Mg Zn Ti Pb Sn Sr Sb A356 90,9  7,70  0,36  0,01  0,37  0,13  0,29  0,02  0,01  0,05  0,01 A356 + Cu 87,9  7,80  0,44  3,13  0,24  0,09  0,22  0,01  0,01  0,02  0,01 3.2. Hasil Coran Hasil  pengecoran prototype kepala silinder  ( head  cylinder) menggunakan metode  pengecoran  LFC  sebagaimana ditunjukkan pada gambar (1).
Penambahan  Cu  kedalam  paduan  Al- 7Si  tidak mempengaruhi  hasil  akhir  dari benda  cor  prototipe  kepala  silinder sepeda  motor  2  tak  dengan  metode LFC.
Dari  hasil  beberapa  percobaan didapatkan  beberapa  paramater  yang mempengaruhi keberhasilan dalam pembuatan  prototipe  kepala  silinder sepeda motor 2 tak adalah ukuran pasir silika,
proses penuangan dan
temperatur tuang.
Gambar  1. Hasil  benda  cor  a)  dengan penambahan  Cu  dan  b) tanpa penambahan
Proses  penuangan  yang  tidak  baik biasanya  mengakibatkan  cacat  yang terbentuk  pada  benda  cor  dimana biasanya  dikarenakan  runtuhnya  pasir silika  sehingga  masuk  kedalam  cairan aluminium.
Selain  itu  cacat  coran  yang  sering terjadinya  adalah  terjadinya gap antara beberapa  pola  yang  dirangkai  dengan menggunakan lem dan dekomposisi dari polystyrene foam.
4.2. Pengamatan Struktur Mikro Pengamatan struktur mikro dilakukan dengan menggunakan mikroskop  optik  pada  bagian  alas  dan sirip hasil coran untuk material sebelum dan  setelah  penambahan  Cu  sebesar 3% dengan pembesaran 400x.
Pada Gambar (2.a dan 2.b) menunjukkan  aluminium  A356  sebelum penambahan Cu. Eutektik partikel silikon tersebar merata diantara dendrite α Al.  Struktur dendrite α phase (terlihat terang)  dan  partikel  eutektik  silikon (berwarana  gelap).  Jumlah  partikel silikon pada bagian sirip dan bagian alat tidak terlalu berbeda. Hal ini dikarenakan  selisih  ketebalan  antara bagian alas dan bagian sirip tidak terlalu jauh.  Pada  paduan  aluminium  yang dicor menggunakan cetakan pasir menghasilkan  struktur  silikon  eutektik berbentuk serpih (platelike) [2,3,11].
Gambar 2 . Photo pengamatan struktur mikro A356 (a) bagian alas (b) bagian sirip A B A B Si Partikel Si Partikel
Gambar  3. photo  pengamatan  struktur mikro A356 dengan penambahan  Cu  (a)  bagian sirip (b) bagian alas Gambar 4. Photo paduan A356 + ST  a) sebelum  penambahan  Cu dan b) sesudah penambahan Cu Secara  umum  penambahan  Cu sebesar  3%  sedikit  mempengaruhi mikrostruktur  dari  morfologi  partikel autektik silikon, dimana terjadi perubahan  pada  bagian  ujung  dari partikel  silikon.  Partikel  silikon  setelah penambahan  Cu  terlihat  lebih  tumpul bila  dibanding  dengan  material  dasar sebagaimana disajikan pada gambar 3.
Perubahan  mikro  struktur  pada benda  cor  juga  terjadi  pada  paduan aluminium  setelah  dilakukan  proses solution  treatment  sebagaimana  terlihat pada  gambar  4.a  dan  4.b.  proses solution treatment menyebabkan pengendapan partikel silikon pada batas butir baik sebelum dan sesudah penambahan Cu.

## 4.3. Pengujian Kekerasan
Pengujian  kekerasan  hasil  coran dilakukan  pada  bagian  sirip  dan  alas hasil  coran  dari  prototype head  cylinder sebelum  dan  sesudah  penambahan  Cu pada paduan A356 sebagaimana ditunjukkan pada gambar (5). Pengujian kekerasan  pada  hasil  coran  dilakukan dengan menggunakan mesin uji kekerasan Rockwell. Penambahan  Cu  pada  aluminium paduan A356 meningkatkan nilai kekerasan benda cor. Proses perlakuan panas  yang  diterapkan  pada  benda  cor sebelum  dan  sesudah  penambahan  Cu juga semakin meningkatkan nilai kekerasan benda cor paduan A356 yang dicor  dengan  menggunakan  proses pengecoran Lost Foam Casting. Nilai  kekerasan  pada  bagian  sirip dan  bagian  alas  hasil  coran  prototipe dari  kepala  silinder  terjadi  perbedaan untuk masing-masing variasi benda cor. Nilai  kekerasan yang paling tingi adalah pada bagian sirip bila dibanding dengan pada bagian alas.
B A Si Partikel Si Partikel A B Cu Partikel Si Partikel Si Partikel
Gambar  5. Grafik  nilai  kekerasan paduan  A356  sebelum  dan sesudah penambahan Cu
Nilai  kekerasan  paduan  A356  yang paling  tinggi  adalah  pada  bagian  sirip paduan  aluminium  A356  yang  telah ditambahkan
Cu dan kemudian dilakukan  proses solution  treatment yaitu dengan nilai kekerasan sebesar 49 HRB sedangkan pada bagian alas  yaitu sebesar 43 HRB [14].
Perbedaan  nilai  kekerasan  antara bagian sirip dan bagian alas dari kepala silinder  ini  terjadi  karena  perbedaan kecepatan  pendinginan  dari  benda  cor. Perbedaan nilai kekerasan antara bagian sirip dan bagian alas dari kepala silinder  ini  terjadi  karena  perbedaan ketebalan benda cor sehingga mempengaruhi  kecepatan  pendinginan
dari benda cor. Harga kekerasan  benda cor  sangat  dipengaruhi  oleh  ketebalan, harga kekerasan menurun seiring dengan  peningkatan  ketebalan  benda cor.  Peningkatan  kekerasan  Brinell benda  cor  erat  kaitannya  dengan struktur  mikro  dan  ukuran  SDAS  yang dihasilkan.  Semakin  kecil  ukuran  SDAS menghasilkan peningkatan harga kekerasannya.  Harga  kekerasan  yang paling  tinggi  adalah  pada  benda  cor yang  paling  tipis,  karena  berkurangnya ketebalan  benda  cor  menghasikan struktur dendrite dan ukuran SDAS yang lebih halus. Ini disebabkan oleh
kecepatan  dari  logam  cair  mengalami pembekuan  yang  menyebabkan  ukuran SDAS semakin halus.

## 4.  Kesimpulan
Dari  hasil  penelitian  ini  dapat  diambil beberapa kesimpulan yaitu: 1.  Penambahan Cu pada paduan aluminium  A356  tidak  signifikan mempengaruhi  hasil  benda  coran prototipe head cylinder sepeda motor 2  tak  yang  dibuat  dengan  metode pengecoran LFC. 2.  Penambahan Cu pada paduan aluminium A356 merubah bentuk dari partikel  silikon,  dimana  sebelum penambahan  Cu  partikel  silikon mempunyai  ujung  yang  runcing  dan setelah  penambahan  Cu  bentuk partikel silikon menjadi lebih tumpul.
3.  Nilai  kekerasan  hasil  coran  setelah penambahan Cu pada paduan aluminium  A356  meningkat  sebesar 40%.  Sedangkan  dengan  melakukan proses solution treatment juga meningkatkan  nilai  kekerasan  pada benda cor baik sebelum dan sesudah penambahan Cu.

## Ucapan Terimakasih
Terimakasih  penulis  ucapkan  kepada Direktorat  Jenderal  Pendidikan  Tinggi (Dikti)  yang  telah  memberikan  dana untuk penelitian ini pada skema penelitian Dosen Pemula.

## Daftar Pustaka
1.  Davis,  J.R.,  1993.  ASM  Specialty Handbook : Aluminum and Aluminum Alloys , 2.  Dahle,  A.K.,  Nogita,  K.,  McDonald, S.D.,  Dinnis,  C.  and  Lu,  L.,  2005, “Eutectic Modification and Microstructure  Development  in  Al-Si Alloys”, Material Science and Engineering  ,  Elsevier  A  413  –  414, p.p. 243 – 248.
3.  Flemings,  M.C.,  1974,  “Solidification Processing”, McGraw-Hill Book
Company, New York.
4.  Hua, P.J., Long, T.X., Ting, H.J., and Ying,  X.D.,  2011,  Effect  of  Heat Treatment  on  microstructure  on tensile  Properties  of  A356  alloys, Transaction  non  Ferrous  Metal,
Science  Direct,  Vol  21,  pp  1950- 1956.
5.  Hurtalova,  L.,  Belan,  J.,  Tillova,  E., and  Chalupova,  M.,  2012.  Changes in Structural Characteristics of
Hypoeutectic  Al-Si  Cast  Alloy  After Age  Hardening,  Material  Science, vol 18, pp 228-233.
6.  Kim,  K.,  and  Lee,  K.  2005. E ff ect  of Process Parameters  on  Porosity  in Aluminum  Lost  Foam  Process, Journal  Material  Scipta  Technology. Vol. 21 No.5, pp. 681-685. 7.  Kumar,  S.,  Kumar,  P.,  Shan,  H.S.,
2007,  Effect  of  evaporative  pattern casting  process  parameters  on  the surface roughness of Al–7% Si alloy castings, Journal of Materials
Processing  Technology ,  Vol.  182, pp. 615–623.
8.  Matson,  D.M.,  Venkatesh,  R.,  And Biederman,  S.,  2007,  Expanded Polystyrene  Lost  Foam  Casting Modelling Bead Steaming Operation,
Journal  of  Manufacturing  Science and  Engineering ,  Vol.  129,  pp.  429- 434.
9.  Shivkumar,  S.,  Ricci  Jr.,  S.,  Keller, C.,  Apelian,  D.,  1990.  Effect  of solution  treatment  parameters  on tensile  properties  of  cast  aluminum alloys. J. Heat Treating 8, 63–70.
10. Smith,  W.F.,  1993,  Structure  and Properties  of  Engineering  Alloys”, McGraw-Hill inc, Second Edition.
11. Shabestari,  S.G.  and  Shahri,  F.,
2004,  “Influence  of  Modification, Solidification  Conditions  and  Heat Treament on The Microstructure and
Mechanical  Properties  of  A356 Aluminium  Alloy”,  Kluwer  Acedemic
Publisher, Journal of Material Science 39, p.p. 2023 – 2032. 12. Wei,  C.Z.,  Ying,  M.C.,  and  Pei,  C., 2012,  Eutectic  Modification  of  A356 alloy with Li additonal Throught DSC and  Miedema  Model,  Transactions of  Non  Ferrous  Metals,  Science Direct, Vol 22, pp 42-46.
13. Wahab,  M.A.,  Madugu,  I.A.,  Asuke, F.,  Fayomi,  O.S.I.,  and  Ayane,  F.A., 2013,  Effect  of  thermal  ageing treatment on the mechanical properties of antimony-modified A356.0-type  Al-Si-Mg  alloy,  JMES, Vol 4, pp 87-92 14. Zeren,  M.,  and  Karakulak,  E.,  2009. Studi on hardness and microstructure  characteristic  of  sand cast  Al-Si-Cu  alloys,  bull  mater science, Indian Academic of
Sciences. Vol 32, Pp 617-620.