Super-Aloi Angkasa Lepas: Titanium Dan Aloi Titanium Armansyah Ginting Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK Titanium dan aloinya dikenal sebagai bahan yang sangat sukar dimesin. Pada pemesinan titanium dan aloinya, perkakas pemotong haus dengan cepat karena suhu pemotongan yang tinggi dihasilkan akibat keberaliran haba dan ketumpatan yang rendah pada bahan ini. Dalam kertas kerja ini, satu ulasan terhadap penyelidikan proses pemesinan bahan angkasa lepas, titanium dan aloinya, termasuk aspek pada perkakas pemotong yang digunakan dan kaedah khas dalam proses pemesinan dipaparkan. Hasil menunjukkan bahwa kehausan rusuk, kawah dan menyerpih adalah ragam kerusakan utama pada perkakas pemotong. Karbida terekat cerun lurus WC/Co terbukti sebagai perkakas pemotong yang paling sesuai untuk memesin bahan ini pada pengendalian berterusan. BAB 1 PENDAHULUAN Titanium dan aloinya digunakan meluas sebagai bahan angkasa lepas kerana sifat nisbah kekuatan terhadap berat yang tinggi, senggara pada suhu tinggi, ciri rintangan kepatahan dan pengecualian rintangan terhadap karatan (Kahles et a1. 1985). Siekmann (1955) menyatakan bahwa proses pemesinan titanium dan aloinya amat merumitkan, walau apapun kaedah yang digunakan untuk mengubah logam tersebut menjadi serpihan. Perkakas pemotong haus dengan cepat kerana suhu pemotongan yang tinggi dihasilkan akihat keberaliran haba dan ketumpatan yang rendah. Dalam kertas kerja ini, satu ulasan terhadap penyelidikan pada pemesinan bahan angkasa lepas, titanium dan aloinya, termasuk aspek pada perkakas pemotong yang digunakan dan kaedah khas dalam proses pemesinan dipaparkan. Hasil menunjukkan bahwa kehausan rusuk, kawah dan menyerpih adalah ragam kegagalan yang utama pada perkakas pemotong. Karbida terekat cerun lurus WC/Co terbukti sebagai perkakas pemotong yang paling sesuai untuk memesin bahan ini pada pengendalian berterusan.

BAB 2 TITANIUM DAN ALOI TITANIUM Titanium adalah unsur alotrop karena ianya wujud lebih dari satu bentuk kristalografi. Pada suhu bilik, titanium memiliki struktur kristal terpadat rapat hexagon, fasa alfa. Struktur ini terjelma menjadi struktur kristal kiub berpusat jasad, fasa beta, pada 882 0C. Suhu terjelma aloi titanium dari fasa alfa menjadi fasa beta, dipengaruhi oleh penambahan unsur tertentu yaitu unsur yang boleh menaikkan suhu (penstabil alfa), unsur

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

1

yang menyebabkan penurunan suhu (penstabil beta) dan unsur yang sedikit mempengaruhi suhu terjelma disebut unsur neutral seperti Sn dan Zr. Pada Tabel 1, rentang dan pengaruh dari beberapa unsur aloi yang digunakan dalam titanium disenaraikan (Donachie 1974).

Aloi titanium lazim digolongkan atas aloi alfa, alfa+beta dan beta (Seagle & Bartlo 1968; Child & Dalton 1968; William 1995). Berdasarkan struktur mikro dan kimia yang terkandung, aloi titanium digolongkan oleh beberapa penyelidik atas aloi alfa, terdekat alfa, alfa+beta dan beta (Kables et al. 1985; Ezugwu & Wang 1997). Selain itu, Aloi titanium digolongkan pula atas empat (Donachie 1974; Machado & Wallbank 1990; Che Hassan 1998), yaitu: 1. Titanium tulen. Titanium tulen tidak sekeras aloi titanium tetapi memiliki rintangan karatan yang baik. Penambahan kekuatan diperoleh dengan menambahkan O dan Fe. 2. Alfa dan aloi terdekat alfa. Aloi alfa mengandung penstabil alfa dan memiliki rintangan caruk yang baik; aloi terdekat alfa adalah aloi alfa yang mengandung penstabil beta dalam jumlah terbatas tetapi bersifat seperti aloi alfa biasa. Aloi terdekat alfa juga lazim disebut sebagai aloi super alfa. 3. Aloi alfa+beta. Pada suhu bilik, golongan ini memiliki campuran alfa dan beta dan mengandung keduadua penstabil alfa dan beta. Aloi titanium ini lazim digunakan pada kilang angkasa lepas. 4. Aloi beta. Penstabil beta menyebabkan aloi ini memiliki sifat keboleh kerasan yang tinggi. Fasa beta adalah metastabil dan memiliki kecenderungan terjelma menjadi struktur setimbang alfa-beta. Kelemahan utama pada aloi beta jika dibandingkan dengan aloi alfa+beta adalah ketumpatan rang tinggi, kekuatan caruk dan tegangan mulur yang rendah.

Di antara banyak aloi titanium, Ti-6Al-4V dari golongan aloi alfa+beta, paling banyak digunakan sebagai bahan angkasa lepas yaitu mencapai 60% jumlah pengilangan titanium di Amerika (Kahles et al. 1985). Sifat aloi Ti-6Al-4V diberikan pada Tabel 2, dimana keluli AISI-1045 diambil sebagai bandingan (Machado & Wallbank 1990).

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

2

BAB 3 PEMESINAN TITANIUM DAN ALOI TITANIUM 3.1 PEMBENTUKAN SERPIHAN Kisah pemesinan titanium bemula dari kilang-kilang angkasa luar. Pembentukan serpihan yang juga adalah masalah asas proses pemesinan titanium dan aloinya, telah dikaji oleh ramai penyelidik (Freeman 1974; Ramalineam et al. 1980; Komanduri & von Turkovich 1980; von Turkovich & Durham 1981; Kornanduri & von TU1: kovich 1981; Turley et al. 1982; Komanduri 1982; Narutaki et al. 1983; Xie et al. 1996; Sheikh-Abroad & Bailey 1997). Diantara mereka, Komanduri dan von Turkovich (1981) dan Komanduri (1982) menyatakan terdapat dua peringkat yang terlibat dalam proses pembentukan serpihan (Gambar 1): (1) terjadinya pelekukan berangsur dari bahan di depan perkakas pemotong. Pada peringkat ini daya pemotongan dan suhu perkakas pemotong naik menuju maksimum disebabkan pelekukan berangsur dengan nisbah gerakan kecil antara serpihan dan muka perkakas permotong; (2) ketidakstabilan aliran dimulakan dan ricih tempatan terbentuk disepanjang lekukan permukaan ricih yang menghubungkan ujung perkakas pemotong dan permukaan bebas dari benda kerja.

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

3

GAMBAR 1. Skema ricih tempatan pembentukan serpihan aloi titanium; variasi permukaan: 1. permukaan tidak berubah-bentuk; 2. bahagian permukaan kegagalan ricih dipisahkan dari ruasan berikutnya kerana ricih intensif; 3. jalur ricih intensif dibentuk oleh ricih kegagalan saat pelekukan beransur pembentukan ruasan; 4. permukaan ricih intensif ruasan berhubungan dengan perkakas pemotong dan menggelangsar pada perkakas pemotong; 5. ubah bentuk tempatan intensif pada kawasan ricih mama; 6. permukaan termesin (Komanduri 1982).

Ramai penyelidik berpendapat bahawa pinggiran-terbina tidak terbentuk pada pemesinan aloi titanium, diantaranya yaitu Narutaki et al. (1983) yang menyatakan pinggiran-terbina tidak terbentuk kerana suhu pemotongan yang tinggi meskipun pada kelajuan potong Yang rendah. Berbeda dengan itu., Komanduri (1982) menemukan terbentuknya pinggiran-terbina yang tidak stabil pada kelajuan yang berubah-ubah dalam pemesinan aloi titanium. 3.2 KEADAAN, SUHU DAN BENDALIR PEMOTONGAN Selain contoh pada Tabel 3, data parameter pemotongan titanium dan aloi titanium, telah dikaji pula dan boleh didapati dari berbagai sumber seperti Siekmann (1955), Field et al. (1965), Vaughn (1966), Maranchik clan Snider (1968), Freeman (1974), Konig 1979; Hartung (1981), Narutaki et al. (1983), KahIes et al. (1985), dan Klocke et al. (1996). Dari data-data tersebut, dapat disimpulkan bahawa: (1) hayat perkakas pemotong sangat pendek pada kelajuan pemotongan yang tinggi tetapi berubah secara dramatik pada kelajuan pemotongan yang rendah; (2) daya pemotongan ditemukan lebih bergantung pada suapan daripada kelajuan.

GAMBAR 2. Kaedah pembahagian tenaga pada pemesinan aloi titanium (kiri) berbanding keluli (kanan) (Komanduri 1982).

Suhu pemotongan pada proses pemesinan titanium dan aloi titanium telah dikaji pula oleh ramai penyelidik, diantaranya Freeman (1974), K5nig (1979), Hartung (1981), Komanduri (1982) dan Narutaki et al. (1983). Dari hasil penyelidikan beliau, Komandri (1982) mengemukan kaedah pembahagian tenaga yang baru dalam proses pemesinan aloi titanium (Gambar 2).

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

4

Bendalir pemotongan yang mengandung klorin sangat berkesan dalam proses pemesinan dan pencanaian titanium. Walau demikian, klorin dapat mengakibatkan karatan tegangan pada komponen titanium, terutamanya pada tegangan dan suhu yang tinggi. Oleh itu, jika bendalir klorin digunakan, kawalan yang cermat pada tatacara pembersihan menjadi sangat penting (Maranchik 1968; Kables et al. 1985). Siekmann (1955) melakukan pengisaran aloi titanium menggunakan perkakas pemotong karbida tanpa bendalir pemotongan. Konig (1979) juga menggunakan perkakas pemotong karbida pada pengisaran dan mendapati bahwa emulsi yang berasaskan sintetis berkesan sebagai bendalir pemotongan aloi titanium. Bersesuaian dengan penemuan Field et al. (1965) pacta proses tap aloi Ti-6Al-4V dengan minyak berklorin tinggi, Hong et al. (1993) mengkaji kesan suat sodium, kalsium dan magnesium sulfonat sebagai pelincir pada proses tap pada aloi Ti-6Al-4V. Diperoleh bahawa pada suhu tinggi sodium dan kalsium sulfonat lebih baik dari magnesium sulfonat dan penambahan olefin sulfonat pada sulfonat baik pada proses tap. 3.3 PERKAKAS PEMOTONG DAN ASPEKNYA Perkakas pemotong yang berciri khas bagi titanium dan aloinya diperlukan untuk menjamin proses pemesinan berjaya dilakukan. Keperluan tersebut ialah: (1) kekerasan tinggi pada suhu yang tinggi agar tahan dari tegangan besar yang terjadi ; (2) keberaliran haba yang baik untuk meminimalkan kecerunan haba dan kejutan haba; (3) lengai kimia yang baik untuk: menekan kecenderungan dapat bereaksi dengan titanium; (4) rintangan kekuatan dan keletihan untuk: dapat menghindari proses peruasan serpihan; (5) mampatan, tegangan serta ricih yang kuat. Siekmann (1955) dan Konig (1979) menyarankan penggunaan perkakas pemotong keluli laju tinggi untuk proses sampuk dan gerudi, melulas dan tap, sementara perkakas pemotong karbida pada pengendalian berterusan yang berkelajuan rendah. Freeman (1974) mengkaji hayat perkakas pemotong cerun keluli dan karbida terekat cerun lurus WC/Co ketika memesin aloi titanium. Didapati bahwa ubah bentuk plastik terjadi, khasnya pada kelajuan pemotongan yang tinggi serta hasil jenis kawah boleh terbentuk kerana ricih pada permukaan perkakas pemotong. Kedua-dua sifat tersebut mengakibatkan pertambahan mekanisme kehausan yang lain. Dearnley dan Grearson (1986) menegaskan bahwa seluruh aloi WC/Co dengan kandungan Co 6wt% dan ukuran butiran WC 0.8-1.4 mikron adalah optimum bagi melarik aloi Ti-6A1-4V (Tabel 4), dan Hartung (1981) juga menunjukkan hasil yang bersamaan. Mereka juga menggunakan nitrid boron kiub dan berlian polihablur dan

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

5

memperoleh hasil yang baik pada kelajuan kehausan. Penyelidikan yang dilakukan oleh Narutaki et al. (1983) menguatkan lagi basil penyelidikan sebelum ini.

Sebagai tambahan. Komanduri dan Reed (1983) pula berkesimpulan bahwa kandungan Co rendah dan ukuran butiran halus lebih baik daripada kandungan Co banyak dan butiran kasar untuk karbida terekat Min dan Youzhen (1988) menggunakan karbida terekat untuk mengisar aloi titanium dan memperolehi keputusan bahwa kehausan resapan dari Co dan C berlaku pada antara muka Perkakas-pemotong dan benda kerja. Machado dan Wallbank (1994) memesin aloi Ti-6A1-4V menggunakan karbida terekat (K68) dan menambahkan jet pendingin bertekanan-tinggi sebagai sistem pendingin. Hasilnya menunjukkan bahawa system pendingin tersebut memperbaiki hayat perkakas pemotong dan menjadi pemutus serpiban yang cekap. WaIter et al. (1993) menyemaikan Cl, F, Br, I, S, In, Ga dan Sn pada karbida tungsten yang berasaskan Co dan hasilnya menunjukkan bahawa takaran l x 10 l7 ion cm-2 memperbaiki hayat perkakas pemotong 2 kali ganda untuk klorin dan indium, tetapi tidak untuk yang lain dalam ujian memesin aloi Ti-6Al-4v. Bhaumik et al (1995) mendapati bahwa hayat perkakas pemotong boleh memperoleh faedah ketika memesin aloi Ti-6Al-4V menggunakan perkakas pemotong rencam (wBn-cBn) pada kelajuan 75 m min-1, kadar suapan 0.1 mm rev-l dan kedalaman pemo-tongan 0.5 mm. Dalam keadaan yang sama, perkakas pemotong karbida tak-terekat gagal setelah memotong selama 12 minit. Mekanisme kehausan utama pada perkakas pemotong bahan rencam adalah proses resapan dan pembubaran. Wang dan Ezugwu (1997) menemukan bahawa perkakas pemotong sisip TiN dan TiN/TiCNI/TiN disalut PVD sesuai untuk memesin aloi Ti-6Al-4V kerana substratum berbutir halus WC tak-aloi dengan ketum-patan dan kekuatan yang tinggi meminimalkan kehausan. Kehausan rusuk, penyerpihan berlebihan, gumpalan kepingan besar dari bahan perkakas pemotong pada permukaan rusuk dan hujung perkakas pemotong merupakan ragam kegagalan utama.

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

6

3.4 TEKNIK KHAS DAN TAK LAZIM Hayat perkakas pemotong dan daya pengeluaran dalam pemesinan titanium dan aloinya boleh dicapai dengan teknik khas, seperti perkakas pemotong belebas, berputar (Komanduri & Lee 1984) dan pemesinan bebas (Nakamura 1988). Pada kaedah tak lazim, terdapat pemesinan elektrokimia, pengisar kimia dan obor alur laser (Donachie 1974). Seterusnya, Soli (1994) menyelidiki pengaruh elektrod tembaga-tembaga dan denyut arus pada pembentukan puing daripada aloi titanium (Ti-6Al-4V) semasa proses pemesinan elektronyahcas. BAB 4 KESIMPULAN Titanium dan aloinya yang meluas digunakan sebagai bahan angkasa lepas dapat digolongkan atas: titanium tulen, alfa dan aloi terdekat alfa, aloi alfa-beta dan aloi beta. Serpihan titanium yang dihasilkan adalah berbentuk meruas dan ianya terbentuk melalui proses mekanisme bencana ricih plastik haba. Ini adalah kerana ricih intensif yang terjadi pada lapisan nipis antara ruasan menyebabkan kadar pelunakan disebabkan oleh tingginya suhu tempatan menjadi semakin tinggi berbanding dengan kadar pengerasan kerja. Mekanisme ini juga terjadi pada kawasan aliran, antara muka serpihan dan perkakas pemotong. Parameter, suhu, bendalir pemotongan dan kehausan/hayat perkakas pemotong berhubungan satu sama lain. Sebagai kaedah asas, hayat perkakas pemotong adalah sangat pendek pada kelajuan pemotongan yang tinggi tetapi akan berubah secara dramatik bila kelajuan pemotongan dikurangkan dan pemakaian bendalir pemotongan yang sesuai semasa proses pemesinan. Secara kimia, bendalir pemotongan memindahkan haba secara cekap dan menurunkan daya pemotongan antara perkakas pemotong dan benda kerja. Kehausan rusuk, kawah, menyerpih adalah ragam kegagalan rang utama pada pemesinan titanium daD aloinya. Kehausan rusuk dan kawah disebabkan oleh pembu-baran, peresapan, pergeseran dan ubah bentuk plastik bergantung pada keadaan pemotongan dan bahan perkakas pemotong. Bahan perkakas pemotong, karbida terekat cerun lurns (WC/Co) terbukti sebagai bahan perkakas pemotong paling sesuai yang terdapat dipasaran untuk memesin titanium dan aloinya pada pengendalian berterusan. Tetapi perkakas pemotong keluli laju tinggi memungkinkan lebih sesuai dalam pengendalian sampuk pada kelajuan rendah. Teknik khas dalam pemesinan titanium telah dikembangkan, seperti perkakas pemotong belebas, berputar dan pemesinan bebas. Sementara bagi kaedah tak lazim terdapat pemesinanelektrokimia, pengisar kimia dan obor alur laser. Pemesinan elektronyahcas juga telah digunakan pada pembentukan Piling aloi titanium.

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

7

RUJUKAN Bhaumik, S.K., Divakar, c., & Singh, AK. 1995. Machining Ti-6A1-4V alloy with a wBN-cBN composite tool. Mat. & Design. 16:4: 221-226. Cbe Hassan, C.H. 1998. Machining of titanium alloys with coated and uncoated carbide tools. PhD Dissertation. Univ. of Coventry, UK. Child, RC., & Dalton, AL. 1968. Machining of titanium alloys, Part 1 Metallurgical factors affecting machinability. Paseasidang Konferensi Kebolehmesinan. Ditaja bersama oleh Iron & Steel Inst. dan the Inst. of Metals, London. 139142. Dearnley, P.A, & Grearson, AN. 1986. Evaluation of principal wear mechanism of cemented carbides and ceramics used for machining Ti. alloys IMI 318. Mat. Sei. and Teeh. 2: 47-58. Donacme, Jr., M.J. 1974. Mat. Engg. 79-80: 61-70. Ezugwu, E.O., & Wang, Z.M. 1997. Titanium alloys and their machinability - A review. J. of Mat. Proc. Tech. 68: 262-274. Field, M., Zlatin, N., & Jameson, RT. 1965. Titanium alloys. Metal Progress. 85-89. Freeman, RM. 1974. The machining of titanium and some of its alloys. PhD Dissertation. Univ. of Birmingham, UK. Hartung, P.D. 1981. Tool wear in titanium machining. MS. Thesis. MIT, USA. Hong, H., Riga, AT., Cahoon, J.M., & Scott, C.G. 1993. Machinability of steels and titanium alloys under lubrication. Wear. 162-164: 34-39. Konig, W., 1979. Applied research on the machinability of titanium and its alloys. Pascasidang Panel ke 47 Pertemuan AGARD Struktur dan Bahan. London. 1.11.10. Kahles, J.F., Field, M., Eylon, D., & Froes, F.H. 1985. Machining of titanium alloys. J. of Metals. 37: 27-35. Klocke, F., Konig, W., & Gerschwiler, K. 1996. Advanced machining of titanium and nickel-based alloys. Kuljanic, E. (00.). Adv. Manuf. Sys. and Tech. 372: 7-21. Komanduri, R 1982. Some clarifications on the mechanics of chip formation when machining titanium alloys. Wear. 76: 15-34.

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

8

Komanduri, R, & Lee, M 1984. High-speed machining of titanium alloys with a new cutting tool insert: The ledge tool. Pascasidang Pertemuan Tahunan Musim Dingin ASME. Lousiana. 217-229. Komanduri, R, & Reed, W.R 1983. Evaluation of carbide grades and a new cutting geometry for machining titanium alloys. Wear. 92: 113-123. Komanduri, R, & von Turkovic B.F. 1981. New observations on the mechanism of chip formation when machining titanium alloys. Wear. 69: 179-188. Machado AR, & Wallbank, 1. 1990. Machining of titanium and its alloys - A review. Proe. lnstn. Meek Engrs. 204: 53-60. Machado AR, & WalIbank, 1. 1994. The effects of a high-pressure coolant jet on machining. Proe. Instn. Mech. Engrs. 208: 29-38. Maranchik, Jr., l, & Snider, RE. 1968. Machining of titanium alloys. Teeh. Paper. Konferensi Kejuruteraan ASTME MR68-801: 1-18. Min, M., & Youzhen, Z. 1988. Diffusion wear in milling titanium alloys. Mat. Sci. and Teeh. 4: 548-553. Nakamura, S. 1988. Machinability of free-machining pure titanium and freemachining titanium alloys. Pre-Print of rt Int. Coni Behav. of Mat. in Mach. The Inst. of Met. UK. 4.1-7. Narutaki, N., Murakoshi, A, Motonishi, S., & Takeyama, H. 1983. Study on machining of titanium alloys. Annals GIRP. 32:1: 65-69. Ramalingam, S., Doyle, E.D., & Turley, D.M. 1980. On chip curl in orthogonal machining. ASME.lnt. J. of Engg.for lnd. 102: 177-183. Seagle, S.R, & Bartlo, L.J. 1968. Physical metallurgy and metallography of titanium alloys. Met. Engg. Quart. 8: 1-10. Sheikh-Abroad, J, & Bailey, J.A 1997. Flow instability in the orthogonal machining of CP titanium. ASME. Int. J. of Manuf Sci. and Engg. 119: 307-313. Siekmann, H.l 1955. How to machine titanium. The Tool Engineer. 34: 78-82. Soni, 1.S. 1994. Microanalysis of debris formed during rotary EDM of titanium alloy . (Ti-6Al-4V) and die steel (TI15 Cf12). Wear. 177: 71-79. Turley, D.M., Doyle, E.D., & Ramalingam, S. 1982. Calculation of shear in chip formation in titanium. Mat. Sei. and Engg. 55: 45-48.

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

9

Vaughn,.R.L. 1966. Modem metals machining technology. ASME. Int. J. of Engg. for Ind 65-71. Von Turkovich, B.F., & Durham, D.R. 1982. Machining of titanium and its alloys. Hasson, D.F., & Hamilton, C.H. (ed). Pascasidang Kaedah Pemesianan Terkini Titanium. The Met. Soc. of AIME. 257-274. WaIter, J.L., Skelly, D.W., & Minnear, W.P. 1993. Ion implantation of cobalttungsten carbide tools for machining Ti. Wear. 170: 79-92. Wang, Z.M, & Ezugwu, E.O. 1997. Performance of PVD-coated carbide tools when machining Ti-6Al-4 V. Tribo. Trans. 40: 1: 81. William, J.C. 1995. Titanium alloys: Production, behaviour and application. Flower, H.M (ed). High Performance Materials in Aerospace. Chapman Hall. 85-134. Xie, J.Q., Bayoumi, AB., & Zbib, H.M. 1996. A study on shear bending in chip formation of orthogonal machining. Int. J. Mech. Tools Manufact. 36:7: 835847.

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

10