Prosidinf! Pertemuan I/miah Sains Materi 1997 ISSN 1410- 2897

SIFAT TAHAN DAKAR PADUAN MAGNESIUM YANGDIPENGARUHI OLEH PENAMDAHAN UNSUR

CALCIUM, ALUMINUM DAN ZINC.

i!)3

(~Maria R. Banondewf

ADSTRAKSIFAT TAHAN DAKAR PADUAN MAGNESIUM YANG DIPENGARUHI OLEH PENAMDAHAN UNSUR

CALCIUM, ALUMINUM DAN ZINC. Pengaruh pen~bahan tunggal dan bersama dari unsur-unsur Ca, AI atau Zn, terhadapketahanan bakar magnesium, diselidiki dengan mengukur suhu bakar (suhu ignition) masing-masing paduano Penambahan tunggalAI atau Zn, tidak meningkatkan suhu bakar, tetapi penambahan Ca, baik tunggal maupun bersama, meningkatkan suhu bakar sekitarlOO-140K. Lapisan oksida yang terbentuk pads permukaan paduan magnesium melalui proses peleburan, dianalisa dengan AugerElectron Spectroscopy. Hasilnya menunjukkan bahwa lapisan yang terbentuk pads permukaan paduan magnesium yangditambahkan Ca, adalah lapisan CaO. Lapisan ini sangat efektifuntuk melindungi magnesium dari ignition. Pembentukan lapisanini bergantung pads komposisi paduano Pads paduan Mg-3%AI-l%Ca penambahan bersama AI-Ca mempengaruhi pembentukanlapisan oksida, tetapi pads paduan Mg-3%Zn-l%Ca, pembentukan lapisan ini hanya dipengaruhi oleh unsur Ca.

ABSTRACTTHE EFFECT OF Ca, AI AND Zn ADDITION ON mE FLAME -RESISTANT MAGNESIUMALLOYS. The

influence of single and joint additions of Ca, AI, and Zn, on the flame resistance of Mg alloys were investigated, by measuring theignition temperature of Mg alloys. Single addition of AI or Zn a little effect on Mg flame retardation. However, single or jointaddition ofCa elevated the ignition temperature of the alloys about IOO-140K. An oxide layer, which was formed on Mg alloyssurface during melting, were studied using Auger electron spectroscopy. The results showed that the oxide layer formed on thesurface of Mg alloys with Ca addition is mostly CaO. This oxide layer is favorable for hindering Mg from ignition. The formationof this oxide layer depends on the composition of the alloy. On Mg-3%Al-l%Ca alloy, joint addition of AI-Ca affected theformation of oxide layer, but on Mg-3%Zn-l%Ca alloy, the formation was affected only by Ca.

KEY WORDSuhu bakar, ignition, Auger Electron Spectroscopy, Oxide layer.

PENDAHULUAN diharapkan dengan penambahan Ca ini, dapatmenurunkan biaya produksi paduan magnesium.

Paduan magnesium yang banyak digunakandalam industri, salah satunya adalah paduan AZ91,dengan unsur pemadu yaitu Al clan Zn. Dalamrangka membuat paduan AZ91 yang tahan bakardengan penambahan unsur Ca, pada penelitian ini,diselidiki pengaruh penambahan tunggal unsur-unsur Ca, Al clan Zn, serta penambahan bersama(coexistence) unsur-unsur tersebut terhadap sifattahan bakar magnesium, clan dianalisa jugakelakuan oksidasi (oxidation behavior) un sur-unsur tersebut dalam paduan magnesium, denganmenggunakan Auger Electron Spectroscopy(AES).

PROSEDURPERCOBAAN

Paduan magnesium digunakan secara luasdalam aplikasi struktural maupun non-struktural,misamya untuk komponen otomotif, komponenpesawat angkasa, material struktural pencegahbising, peralatan olahraga, perkakas listrik, daDuntuk bidang multimedia seperti komputer, video,hand phone daD lain-lain. Hal ini disebabkankarena sifat-sifat magnesium yang unggul antaralain, berat jenisnya yang ringan (=1,74) tetapimempunyai kekuatan yang cukup tinggi. Selain itujuga mempunyai sifat-sifat good cutting ability,high damping capacity, anti depression, sizesteadiness, daD lain-lain[ I ],[2].

Tetapi, logam magnesium adalah logam yangsangat aktif, dimana pada proses peteburannyamudah beroksidasi daD terbakar, untuk itudiperlukan flux, gas SF6 atau serbuk beleranguntuk metindungi permukaan lelehan daTi oksidasidengan udara terbuka[3], serta peralatan pencegahterjadinya kebakaran. Hat-hal semacam ini yangmembuat proses produksi paduan magnesiummenjadi rum it dan mahal. Dari penelitianmengenai sifat tahan bakar magnesium,diketengahkan bahwa penambahan unsur Casangat efektif dalam meningkatkan suhu bakar(suhu ignition) magnesium[4], daD membuatmagnesium menjadi tahan bakar, sehingga

Logam yang dipakai pacta percobaan iniadalah, 99,98%Mg, 99,70%AI, 99,99%Zn, daD Cametal granular (Ca=40,O7). Dari masing-masinglogam dibuat paduan Mg-3%Al, Mg-3%-Zn, Mg-l%Ca, Mg-J%AI-l%Ca, dan Mg-3%-Zn-l%Ca.Bahan leburan sebanyak 0,2---0,25 kg dileburdalam Ar atmosftr menggunakan high frequencyvacuum induction furnace, dan dituang ke dalamcetakan logam dari baja karbon dengan diameter38 mm pada suhu kamar. Dari ingot masing-masing paduan dibuat spesimen untuk pengukuransuhu bakar, pengamatan mikrostruktur, daD analisaAES.

'Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sairts Materi 19972 Puslitbang Metalurgi -LIPI

90

Pros;d;nf! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; 1997 /SSN 14/0 -2897

Pengukuran suhu bakar dilakukan padaspesimen dengan ukuran c/lIOmm xlOmm, yangdimasukkan ke dalam tungku (gambar 1), yangsudah dipanaskan pada suhu 1073K di udaraterbuka. Dari thermocouple yang disentuhkan padaspesimen, dicatat kenaikan dan perubahan suhuspesimen pada X-V recorder. Titik dimana terjadiperubahan gradien pada kurva kenaikan suhu, atausaat terjadinya percikan api pada spesimen,dinamakan titik bakar atau titik ignition, dan suhupada saat itu dinamakan suhu bakar atau suhu

ignition.

daerah rasa eutektik semakin luas daD butir kristaljuga semakin halus.

Berikutnya pada mikrostruktur paduan Mg-3%AI (gambar 2(c)), terlihat bahwa pada batasbutir matriks a terkristalisasi rasa eutektik a daD

Gambar 2: Struktur mikro as-cast paduan Magnesium(a)Mg, (b) Mg-I%Ca (c) Mg-3%AI(d) Mg-3%AI-I%Ca, (e) Mg-3%Zn, (f) Mg-3%Zn-I%CaGambar 1: Gambar skematik tungku elektrik untuk

mengukur suhu bakarMg1,AI12 secara massive, karena pada barns butirini AI terkonsentrasi sangat tinggi. Denganmenambahkan 1 %Ca kedalam paduan Mg-3%AIini, baik AI maupun Ca akan terkonsentrasikanpada daerah sekitar batas butir, sehinggamembentuk struktur seperti pada gambar 2(d).Sedangkan pada mikrostruktur paduan Mg-3%Zn(gambar 2(e», Zn tidak terkonsentrasi pada suatubagian, tetapi terdistribusi secara merata padamatriks a clan senyawa Mg,Zn3. Kemudian denganmenambahkan 1 %Ca ke dalam paduan ini, akanterlihat mikrostruktur seperti gambar 2(f), dimanaCa terkonsentrasikan pada daerah sekitar batasbutir.

Mikrostruktur as-cast spesimen diamati denganmikroskop optik, clan untuk menganalisa oksidasiyang terjadi pada spesimen yang dileburkan padasuhu 923K selama 30 menit, digunakan AugerElectron Spectroscopy dengan mengukur spektorelektron Auger pada permukaan spesimen clandepth profiling unsur-unsur dari permukaan kebagian dalam spesimen dengan ion sputtering,serta pengamatan dengan Secondary ElectronMicroscope.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengaruh penambahan tunggal daD gabunganunsur Ca, AI daD Zn pads suhu ignition Mg

Pada gambar 3 diperlihatkan basil pengukuransuhu ignition paduan magnesium, yang dipadukandengan penambahan tunggal unsur-unsur Ca, AIdan Zn, serta penambahan gabungan unsur AI-Cadan Zn-Ca. Spesimen dari magnesium yang tidakditambahkan unsur apa-apa ke dalamnya, terbakarpada suhu 925K, yaitu sesaat setelah mencapaititik lebumya (923K). Bila ke dalam magnesium

Struktur mikro paduan magnesiumPada gambar 2, diperlihatkan struktur mikro

as-cast paduan magnesium. Pada struktur mikrospesimen dan magnesium yang tidak ditambahkanapa-apa (gambar 2(a)), terlihat butir kristal yangbesar, tetapi dengan penambahan 1 %Ca (gambar2(b)), pacta batas butir matriks a terlihat bagianyang berwana gelap, yang merupakan rasa eutektika clan Mg2Ca[3]. Diamati juga bahwa dengansemakin banyaknya kadar Ca dalam magnesium,

91

Pros;d;n2 Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

ditambahkan unsur AI sebanyak 3% clan 6%, suhuignitionnya hampir tidak berbeda dengan suhuignition magnesium mumi. Sedangkan denganpenambahan 3% clan 6% In, suhu ignitionmagnesium menjadi 1ebih rendah. Tempi, bila kedalam Mg-3%AI clan Mg-3%Zn, ditambahkanI %Ca, suhu ignitionnya naik, yaitu pada paduanMg-3%AI-I%Ca kenaikannya sekitar 140K, danpada paduan Mg-3%Zn-1 %Ca kenaikannya sekitarlOOK, sarna dengan penambahan tunggall%Ca kedalarn magnesium. Jadi penambahan unsur Ca kedalam magnesium atau paduan Mg-AI clan Mg-Zn,dapat meningkatkan suhu ignition paduan daDmembuat paduan menjadi tahan bakar.

terbentuk pada permukaan spesimen tidak begitujelas, tetapi dari permukaannya yang tidak ratadiduga bahwa senyawa yang terbentuk tidakterdistribusi merata tetapi berubah menurut

komposisi dasamya.

Gambar 3: Pengaruh penambahan unsur Ca, AI daD Znpada suhu bakar magnesium.

Hal ini, hila dihubungkan dengan hasilpengamatan struktur mikro paduan magnesiumyang telah dibahas di atas, diduga bahwa kenaikansubu ignition paduan Mg-3%AI-1 %Ca sebesar140K adalah karena konsentrasi unsur AI clan Cayang tinggi pada daerah sekitar batas butir

Sedangkan pada paduan Mg-3%Zn-l%Ca,kenaikan suhu ignitionnya yang hampir sarnadengan paduan Mg-l%Ca yaitu sebesar lOOK,diduga karena di daerah sekitar batas butir hanyaunsur Ca yang berkonsentrasi tinggi. Lebih lanjutkelakuan unsur-unsur ini dalam paduan, akandibahas daTi hasil analisa AES berikut.

Gambar 4. SEM foto paduan magnesium yamg dileburpada suhu 923K selama 30 men it. (a)paduan Mg-I%Ca. (b) paduan Mg-3%AI-l%Ca. (c) paduan Mg-3%Zn-l%Ca

Hasil analisa AES paduan magnesiumPennukaan spesimen dari paduan Mg-3%AI-

I%Ca clan Mg-3%Zn-l%Ca, yang dilebur padasuhu 923K selama 30 menit diamati denganSecondary Electron Microscope clan ditunjukkanpada gambar 4. Dari gambar-gambar ini,hubungan unsur-unsur' dengan senyawa yang

Spektrum auger elektron dari spesimen-spesimen ini, ditunjukkan pada gambar 5. Padapermukaan ketiga spesimen ini dideteksi augerelektron Ca, a clan Mg, dengan intensitas Mg yangkecil, tetapi intensitas Ca clan a yang besar. lnimenunjukkan bahwa pada permukaan ketigaspesimen yang telah dilebur ini, terbentuk lapisanoksida kalsium.

Selanjutnya untuk melihat depth profilingketiga spesimen ini, dilakukan ion sputtering daripermukaan ke arah dalam spesimen. Pada gambar6(a) ditunjukkan hubungan waktu sputtering, atauprofil permukaan ke arah dalam spesimen, dengan

92

Pros;d;nl! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN /4/0 -2897

intensitas auger elektron dari paduan Mg-l %Ca,dan pada gambar 6(b) ditunjukkan hubungandengan konsentrasi relatifnya. Pada permukaanspesimen, intensitas Ca sangat tinggi, tetapisemakin ke arab dalam spesimen, intensitasnyasemakin menurun, dan pada sekitar 100 menitsputtering, intensitas Mg menjadi paling tinggi,hal ini menunjukkan bahwa lapisan oksida kalsiumsudah ditembus dan masuk ke bagian matriks.

terbentuk lapisan kalsium oksida, CaO, tetapi teballapisan ini tidak dapat diukur, karena pada waktupengukuran depth profiling, kecepatan ionsputtering, sebesar IOONmin yang digunakan,adalah merupakan kecepatan ion sputtering untukspesimen Sial, jadi bergantung pada lunak ataukerasnya spesimen yang diukur.

Gambar 6: Depth profiling paduan Mg-l%Ca yangdilebur pada suhu 923K selama 30menit.

Berikutnya, pada gambar 7 dan 8, ditunjukkandepth profiling paduan Mg-3%AI-l %Ca dan Mg~3%Zn-l %Ca. Dari hubungan waktu sputteringdengan intensitas (gambar 7), terlihat bahwadipermukaan masing-masing paduan, intensitas Capaling tinggi, tetapi ke arab dalam spesimenintensitas Ca menurun, dan daTi hubungan waktusputtering dengan konscntrasi relatif (gambar 8),dapat diketahui bahwa Ca berkonsentrasi tinggi dikedua permukaan spesimen. Sementara itu, padagambar 8(a)~ terlihat juga bahwa konsentrasi Al dipermukaan spesimen, hampir sarna dengan Ca,tetapi pada gambar 8(b), konsentrasi Zn rendah.Bila dibandingkan depth profiling paduan Mg-3%Zn-l%Ca ini, dengan paduan Mg-l%Ca,terli!1at bahwa kelakuan oksidasi unsur Ca didalamkedua paduan hampir mirip, dan terlihat jugabahwa Zn tidak ambil bagian dalam oksidasi padapeleburan paduan magnesium ini. Sedangkan pada

Gambar 5. Spektrum auger elektron daTi permukaanspesimen yang dilebur pada suhu 923Kselama 30 menit. (a) Mg-l%Ca. (b) Mg-3%AI-l%Ca. (3) Mg-3%Zn-l O/oCa.

Kemudian dari hubungannya dengan konsentrasirelatif, konsentrasi Ca di permukaan tinggi, tetapimenurun bersamaan dengan arab kedalantanspesimen. Jadi dapat disimpulkan bahwa padapaduan Mg-l %Ca yang telah dilebur pada suhu923K selama 30 menit ini, dipermukaannya

()~

Prosidin~ Pertemuan llmiah Sains Materi 1997 /SSN /410 -2897

paduan Mg-3%AI-I%Ca, unsur AI terlihat ikutberperan dalam peristiwa oksidasi ini.

bahwa Zn tidak ambil bagian dalam oksidasi pactapeleburan paduan magnesium ini. Sedangkan padapaduan Mg- 3%AI-l %Ca, unsur Al terlihat ik\ltberperan dalam peristiwa oksidasi ini.

(a)

(b)

Gambar 7: Hubungan intensitas elektron auger denganwaktu sputtering pada paduan magnesiumyang dilebur pada suhu 923Kselama30menit.(a) Mg-3%AI-l%Ca.(b) Mg-3%Zn-l%Ca

Garnbar 8: Hubungan konsentrasi relatif dengan waktusputtering pada paduan magnesium yangdilebur pada suhu 923K selarna 30menit.(a) Mg-3%AI-l%Ca. (b)Mg-3%Zn-l%Ca

Berikutnya, pada gambar 7 daD 8, ditunjukkandepth profiling paduan Mg-3%AI-I %Ca dan Mg-3%Zn-1 %Ca. Dari hubungan waktu sputteringdengan intensitas (garnbar 7), terlihat bahwadipermukaan masing-masing paduan, intensitas Capaling tinggi, tetapi ke arah dalam spesimenintensitas Ca menurul1, daD dari hubungatl waktusputtering dengan konsentrasi relatif (gambar 8),dapat diketahui bahwa Ca berkonsentrasi tinggi dikedua permukaan spesimen. Sementara itu, padagambar 8(a), terlihat juga bahwa konsentrasi Al dipermukaatl spesimen, hampir sarna dengatl Ca,tetapi pada gambar 8(b), konsentrasi Zn rendah.Bila dibandingkan depth profiling paduan Mg-3%Zn-1 %Ca ini, dengan paduan Mg-I %Ca,terlihatbahwa kelakuan oksidasi unsur Ca didalamkedua paduan harnpir mirip, daD terlihat juga

Jadi dari analisa AES diatas disimpulkanbahwa, pada permukaan paduan magnesium yangditambahkan dengan unsur gabungan AI-Ca atauZn-Ca, terbentuk lapisan kalsium oks ida, setelahpaduan dilebur pada suhu 923K selama 30 menit.Tetapi pada pembentukan lapisan oksida ini,terdapat perbedaan kelakuan oksidasi un sur-unsumya, yaitu pada paduan Mg-3%Al-l%Ca,yang mempengaruhi pembentukan oksida adalahunsur Ca dan AI, tetapi pada paduan Mg-3%Zn-1 %Ca, yang berperan dalam pembentukannyaadalah unsur Ca saja.

Pembentukan lapisan kalsium oksida ini,melindungi magnesium dari kontak dengan udaradan meningkatkan suhu ignition paduanmagnesium, sehingga dapat dihubungkan bahwakenaikan suhu ignition paduan Mg-3%Al-l %Cayang lebih tinggi daripada paduan Mg-3%Zn-

94

Pros;d;nf! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897

Pembentukan lapisan ini melindungimagnesium dari kontak dengan udara.

3 Keberadaan bersarna unsur AI-Carnernpengaruhi pernbentukan lapisan oksidapada paduan Mg-3%AI-l%Ca. Tetapi padapaduan Mg-3%Zn-l%Ca, pernbentukanlapisan ini hanya dipengaruhi oleh unsur Casaja, sarna dengan pernbentukan pada paduanMg-I %Ca.

I%Ca yaitu sebesar 140K adalah karena adanyapenambahan bersama unsur Ca dan AI. Bila dilihatdari mikrostruktumya hal ini diduga karena padabatas butir, unsur Al dan Ca berkonsentrasi tinggi.Sehingga pada waktu peleburan paduan, unsur Ca,yang standar oksidasi energi bebasnya palingrendah[7), akan teraktifitasi lebih dulu terutamadimulai dari bagian batas butir yang titik lebumyalebih rendah dari pada matriks, dan akanberoksidasi membentuk lapisan yang diperkuatoleh keberadaan unsur AI.

Sedangkan kenaikan suhu ignition paduan Mg-3%Zn-1 %Ca yang hampir sarna dengan paduanMg -1 %Ca, yaitu sebesar lOOK, adalah karenapenambahan unsur Ca. Hal ini juga dapatdijelaskan dari mikrostruktur paduan, yaitu bahwaZn terdistribusi merata di dalam paduan,sedangkan unsur Ca terkonsentrasikan pada batasbutir, sehingga pada peleburannya, Ca akanteroksidasi lebih dulu membentuk lapisan oksida.Jadi dapat dimengerti bahwa kenaikan suhumaupun kelakuan oksidasi unsur Ca di dalampaduan Mg-3%Zn-l%Ca dan paduan Mg-I%Ca,tidak jauh berbeda.

UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Prof.Michihiro Tagami, Laboratorium TeknologiPengolahan Logam, Departemen MaterialEngineering, Universitas Akita di Jepang, atasbimbingannya selama penelitian ini.

DAFTARPUSTAKA

KESIMPULAN

Penambahan un sur Ca ke dalam paduanmagnesium meningkatkan suhu ignitionpaduan sebesar lOOK clan membuat paduanmenjadi tahan bakar. Tetapi penambahantunggal unsur Al atau Zn, tidak meningkatkansubu ignition magnesium. Sedangkanpenambahan bersama un sur AI-Cameningkatkan subu ignition paduan Mg-3%AI-I%Ca sebesar -140K, clan penambahanbersama unsur Zn-Ca pada paduan Mg-3%Zn-I %Ca meningkatkan subu ignition sebesar-lOOK.

Pada permukaan paduan magnesium yangditambahkan dengan unsur tunggal Ca clanunsur gabungan AI-Ca clan Zn-Ca, terbentuklapisan oksida kalsium, setelah spesimendileburkan pada suhu 923K selama 30 menit.

[I] HOSOMI, Y. Tendency of Development andTechnology of Light Metal Materials.Arutopia,5(1993),18-25.

[2] FUJIYOSHI, M. Magnesium and It's Alloys.New Metal Material, Nikkan Kogyo Shinbun .(1986),24-28

[3] TAKAHASHI, T; KAMIO, A. MagnesiumAlloys. Casting Solidification, NipponKinzoku Gakkai, (1994), 238-245

[4] AKIYAMA, S.Flame-Resistant MagnesiumAlloys by Calcium. Imono, 66(1), (1994),38-42.

[5] SH1MIZU, M; TAKEUCHI, M. Effect ofCaAddition on the Microstructures andProperties of Mg and Mg-Li alloys. Imono,63(1991)3:245-249.

[6] MASSALSKI, T.B; OKAMOTO, H.Handbook ad Binary Alloy Phase Diagrams.ASM Publication,( 1990).

{7] KUBASCHEWSKI, 0; EV ANS, E;ALCOCK, C.B. Table E.Standard GibbsEnergy of Reaction., Kabusiki Sangyo Tosho,(1965),378-384

2.

95