Mengenal Komposit Aluminium Matrix Composite (AMC) dan Teknik Pembuatannya

1. Pendahuluan Aluminium Matrix Composite (AMC)

Material komposit berasal dari dua bahan atau lebih yang tetap berpisah dan berbeda dalam level makroskopik selagi membentuk komponen tunggal sehingga menghasilkan material komposit yang mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material pembentuknya. Composite bersifat heterogen dalam skala makroskopik. Selanjutnya bahan penyusun komposit masing-masing memiliki sifat yang berbeda dan ketika bergabung akan menghasilkan sifat-sifat baru. Contohnya Aluminium Matrix Composite (AMC). Composite pada dunia industri merupakan campuran antara polimer (bahan makromolekul dengan ukuran besar yang merupakan turunan dari minyak bumi ataupun bahan alam lainnya seperti karet dan serat). Bahan material terdiri dari dua bahan penyusun, yaitu bahan utama sebagai pengikat dan bahan pendukung sebagai penguat. Bahan penguat dapat berbentuk serat, partikel, serpihan atau dapat berbentuk yang lain.

Sebaliknya dalam pembuatan material kompostit, insinyur secara cerdas mengkombinasikan berbagai macam logam, keramik, dan polimer untuk menghasilkan material jenis baru yang memiliki keunggulan yang baik. Umumnya material–material komposit ada dua fasa, salah satunya yaitu matrix, yang bersifat continue dan melingkupi fasa lainnya atau fasa terdispersi. Selanjutnya sifat dari komposit tergantung dari sifat fasa penyusunnya, jumlahnya, dan geometri dari fasa terdispersinya. Geometri fasa dispersi adalah bentuk dari partikel dan ukurannya, penyebarannya, dan orientasinya. Karakteristik ini seperti pada gambar berikut

Gambar 1.1 Skema Dari Beragam Geometri dan Karakteristik Spatial Dari Partikel Fasa Terdispersi yang Dapat Memengaruhi Sifat Dari Komposit: (A) Konsentrasi, (B) Ukuran, (C) Bentuk, (D) Distribusi, dan (E) Orientasi

2. Aluminium Matrix Composite (AMC)

Aluminium matrix composite (AMC) merupakan salah satu material yang memiliki potensi besar karena kombinasi sifat-sifatnya yang baik, seperti kekuatan yang tinggi, densitas yang rendah, daya tahan yang baik, mampu di-machining, ketersediaan bahan baku yang berlimpah dan harga yang bersaing dengan material lain. Selanjutnya pada aplikasi AMC telah banyak berkembang di bidang otomotif, pertambangan, penerbangan, pertahanan dan lain sebagainya. Material AMC pada beberapa komponen pengaplikasiannya mampu pada tegangan tinggi, contohnya seperti di bidang otomotif yaitu sebagai komponen drive shaft dan piston, bidang penerbangan yaitu sebagai baling-baling helikopter dan bidang pertahanan yaitu sebagai track shoes dari tank. Keunggulan dan kelemahan secara umum dari AMC sebagai berikut.

Tabel 2.1. Keunggulan dan kelemahan AMC

Selain aluminium yang berperan sebagai matriks, unsur atau senyawa utama dalam AMC adalah penguatnya. Sifat-sifat AMC sangat bergantung kepada jenis penguat dan juga fraksi volumenya. Penguat pada AMC biasanya adalah unsur non-metallic dan lebih spesifiknya adalah keramik seperti SiC dan Al₂O₃. Oleh karena itu, penguat dari AMC lainnya seperti pada tabel 2.2.

Tabel 2.2. Penguat pada AMC

3. Jenis-jenis Aluminium Matrix Composite (AMC)

• Particle reinforced AMC (PAMC)
• Short fibre reinforced AMC (SFAMC)
• Continuous fibre reinforced AMC (CFAMC)
• Mono filament reinforced AMC (MFAMC)

4. Teknik Pembuatan Aluminium Matrix Composite (AMC)

Proses utama pembuatan AMC pada skala industri ada dua kelompok, yaitu solid state processes dan liquid state processes.

4.1. Solid state processing

4.1.a Pencampuran serbuk dan consolidation (Proses metalurgi serbuk)

Pencampuran serbuk aluminium dengan keramik serat pendek atau partikel adalah teknik yang baik untuk membuat AMC dalam keadaan kering atau berupa cairan suspensi. Proses pencampuran biasanya terdapat tahap kompaksi, canning, penghilangan gas dan high temperature consolidation seperti hot isostatic pressing (HIP) atau ekstrusi. Dalam hal ini, AMC dari proses metalurgi serbuk mengandung partikel oksida dengan fraksi volume sekitar 0,05-0,5. Oleh karena itu, partikel oksida halus ini cenderung berperan sebagai dispersion-strengthening agent dan memiliki pengaruh yang kuat pada sifat-sifat matrik. Selanjutnya adapun tahapan dari proses metalurgi serbuk adalah seperti pada gambar 4.1

Gambar 4.1 Tahapan proses metalurgi serbuk

4.1.b. Diffusion bonding

Pada produksi MFAMC sebagian besar dengan teknik di ffusion bonding (foil-fibre-foil). Seperti contohnya adalah komposit Al-boron fibre 6061 dan komposit berpenguat serat Ti. Selanjutnya penggunaan teknik ini bertujuan untuk membuat komposit dengan fraksi volume serat yang tinggi. Sebaliknya pendistribusian serat secara homogen pada proses ini sulit untuk untuk dicapai. Namun, proses ini tidak cocok untuk digunakan dalam pembuatan komponen dengan bentuk yang kompleks.

4.1.c Physical vapour deposition (PVD)

Proses ini melibatkan tekanan parsial yang tinggi pada logam yang mengalami deposisi. Produksi Vapour dengan high power electron beam secara langsung di atas solid bar feed stock. Kecepatan deposisinya sekitar 5–10 µm/menit. Oleh karena itu, produksi dengan teknik ini dapat menghasilkan komposit dengan persebaran serat yang merata dan fraksi volume sekitar 80%.

4.2. Liquid state processing

4.2.a. Stir casting

Proses ini melibatkan pencampuran partikel keramik ke dalam lelehan aluminium. Dalam hal ini, penting karena dalam proses membuat pembasahan yang baik antara partikel penguat dengan lelehan paduan aluminium. Teknik yang paling mudah dan paling komersial adalah teknik stir-casting. Teknik stir-casting memungkinkan untuk selanjutnya membuat komposit sampai dengan 30% partikel keramik dengan kisaran ukuran 5-100 µm. Oleh karena itu, pada proses ini persebaran penguat yang tidak merata dapat menjadi masalah pada solidifikasi di sekitar interface antara partikel keramik dengan lelehan aluminium. Variasi lain dari proses stir casting adalah compo-casting. Pada compo-casting, pencampuran partikel keramik ke dalam paduan ketika dalam keadaan semi solid.

Gambar 4.2 Compo-casting dari AMC

4.2.b. Infiltration process

Paduan aluminium cair diinjeksikan ke dalam celah poros pre-form continuous/short fibre atau partikel untuk selanjutnya dapat membuat AMC. Teknik infiltrasi ini dapat menghasilkan AMC dengan fraksi volume penguat 10-70%.

Gambar 4.3 Infiltrasi dari preform continuous fiber

4.2.c. Proses osprey

Proses osprey adalah teknikspray deposition dimana droplet stream diproduksi pada sebuah molten bath. Porositas produk adalah sekitar 5–10%. Proses osprey selanjutnya berfungsi untuk membuat PAMC dan CFAMC. Dalam hal ini, pengaturan fraksi volume serat dan distribusinya dapat dengan cara menyesuaikan jarak serat dan jumlah lapisan serat. Proses osprey relatif murah dengan kisaran harga berada di antara stir cast dan proses metalurgi serbuk. Skema dari proses osprey adalah seperti pada gambar berikut..

Gambar 4.4 Proses osprey untuk produksi PAMC

4.2.d. In-situ processing (reactive processing)

Salah satu contoh proses in-situ adalah directional oxidation yang biasa dikenal sebagai proses DIMOX. Pada proses ini paduan Al–Mg diletakkan di atas preform keramik pada sebuah krusibel. Ketika paduan Al–Mg meleleh, lelehannya tersebut akan masuk ke dalam preform dan kemudian membentuk komposit. Selain proses DIMOX, ada juga proses dispersi Martin–Marietta’s exothermic atau XDTm. Proses XDTm digunakan untuk memproduksi AMC berpenguat TiB₂ yang mudah disesuaikan dan dapat digunakan untuk fasa keras dan lunak dengan ukuran yang berbeda. Proses in-situ lainnya adalah dengan reaksi gas–cairan yang digunakan untuk memproduksi AMC berpenguat TiC. Contohnya, pada pembuatan komposit Al-TiC yaitu dengan meniupkan gelembung carbonaceous gas seperti metana ke dalam lelehan Al–Ti dengan temperatur yang kemudian dinaikkan.

Gambar 4.5 Proses in-situ dengan reaktan gas untuk memproduksi AMC

4.3. Analisis Sifat Mekanik AMC

Analisis sifat mekanik AMC yaitu diantaranya uji kekuatan tarik, kekerasan brinell, kekuatan impak dan pengamatan struktur mikro.

5. Manfaat Aluminium Matrix Composite (AMC)

AMC dengan partikel-partikel penguat seperti SiC, Al₂O₃, TiC, TiB₂ dan B₄C telah sukses digunakan pada bidang otomotif, penerbangan, dan thermal management. Pada bidang penerbangan, PAMC digunakan sebagai fan exit guide vane (FEGV) pada gas turbine engine, sebagai ventral fins dan fuel access cover doors pada pesawat militer. Selain itu, PAMC digunakan sebagai rotating blade sleeves pada helikopter yang tentunya dengan syarat mampu menahan tegangan tinggi saat digunakan.

Penggunaan PAMC terbanyak adalah pada sistem rem kereta dan mobil. Aplikasi pada bidang otomotif lain yang juga potensial adalah sebagai valves, crankshafts, gear parts dan suspension arms. Untuk SFAMC dan HAMC, contoh aplikasinya pada tegangan tinggi kebanyakan adalah sebagai piston dan cylinder liner. Selain itu, SFAMC juga telah banyakmdigunakan pada bidang pertahanan yaitu sebagai track shoes pada tank. Selain itu, beberapa aplikasi lain di bidang otomotif dari beberapa jenis AMC tertera pada tabel 5.1 di bawah ini.

Tabel 5.1 Aplikasi AMC pada bidang otomotif

Referensi

• Das, S. 2004 “Development of Aluminium Alloy Composites for Engineering Applications”. Trans. Indian Inst. Met. Vol.57 (4), 325-334.
• Froyen, L. & B. Verlinden. 1994. “Aluminium Matrix Composite Materials”. TALAT Lecture 1402. University of Leuven, Belgium.
• Muller, S., Th. Schubert, F. Fiedler, R. Stein, B. Kieback & L. Deters. 2011. “Properties of Sintered P/M Aluminium Composites”. Metal Matrix Composites – Euro PM.
• Saefuloh, I., Pramono, A. & Hikmatullah, R. 2018. “Studi Karakteristik Sifat Mekanik Alumunium Matrix Composite (AMC) Paduan Al, 5%Cu, 12%Mg, 15% Sic Hasil Proses Stir Casting dengan Variasi Temperatur Pengadukan”. Jurnal Teknika. Vol. 12 (2), 151-164.
• Surappa, M. K. 2003 “Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities”. Sadhana Vol. 28, 319–334.
• Komposit Aluminium untuk Aplikasi Tegangan Tinggi – Material Lounge (wordpress.com) akses pada Mei 2023