Proceeding of The 12th International Conference On QiR (Quality in Research), Bali 4-7 July 2011
Efendi Mabruria), Bambang Sriyonoa), Bintang Adjiantoroa), DN.Adnyanab)
a)Research Center for Metallurgy-Indonesian Institute of Sciences (LIPI),
Kawasan Puspiptek Gd. 470 Serpong, Tangerang 15314,Indonesia
Email: effe004@lipi.go.id
b)Agency of Technology Application and Assesment (BPPT),
Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 15314,Indonesia
ABSTRACT
This paper reports the influence of Ni/Ti ratio in Ni-Ti-Cu alloys and of the addition of fourth elements (X) in the Ni35Ti50Cu10X5 (X= Fe, Sn, Cr, Nb, Co, Mo) quarternary alloys on the phases formed and microstructure of the respective alloy. The experimetal results showed that the larger Ni/Ti ratio in Ni-Ti-Cu alloys, the larger fraction of Ti0.4Ni0.565Cu0.035 precipitate phase and the lower workability of the alloys. The fourth element added into the Ni-Ti-Cu alloys modified the room temperature phases presented in the alloys by different ways, i.e. by deppressing both B19’(NiTi) and B19’(TiNi0.8Cu0.2) phases (for X=Fe, Co, Nb), by revealing precipitate phases (for X=Sn and Cr) and by deppressing B19’ (TiNi0.8Cu0.2) phases (for X=Mo).
Keywords: shape memory allloys, nickel-titanium-copper, quarternary alloys, phase identification, microstructure.
1. INTRODUCTION
Shape memory alloys (SMA) have the ability to recover plastic strain and restore the alloys to the original shape upon heating, which corresponds to the martensitic thermoelastic transformation. This shape memory effect (SME) can be used for coupling, electrical connecting and actuation. To date, Ni-Ti SMA is found in widespread application in engineering and medical devices application [1,2]. Nickel-titanium (Ni-Ti) is the most potential shape memory alloys for industrial applications compared to Cu-based and Fe-based alloys due to higher recoverable strain, excellent corrosion resistance and stable transformation temperature. The important martensitic transformation in Ni-Ti Shape Memory Alloys is B2«B19’ where B2 phase is high temperature cubic structure and B19’ is low temperature monoclinic structure. However, intermediate structure frequently exists accompanying the B2«B19’ transformation especially in ternary alloys, e.g. B2«B19«B19’ in Ti-Ni-Cu and Ti-Ni-Pd alloys [3-5] and B2«R«B19’ in Ti-Ni-Fe, Ti-Ni-Al and Ti-Ni-Co [6,7] where B19 is intermediate orthorhombic structure and R is intermediate rhombohedral structure.
The addition of Cu into the binary Ni-Ti shape memory alloys to substitute Ni has been shown to reduce the sensitivity of the transformation temperature and to lead a narrow its transformation temperature hysteresis. Therefore, Ni-Ti-Cu alloys are the most atractive shape memory alloys for actuator application due to quick actuation response as a consequence of its small temperature hysteresis and due to its superior fatigue property. However, nowadays the reseachers are currently investigating the addition of fourth elements into the Ni-Ti-Cu alloy in order to increase the shape memory effect (SME) and to improve workability of the alloy.
Since the shape memory effect and the workability of SMA alloys strongly depend on the microstructure of the alloys, it is necessary to control the phases formed in the alloys. There have been many investigation regarding the Ti-Ni-Cu [8-11] and Ti-Ni-Cu-X [12-16] shape memory alloys, focusing on phase transformation behaviour, mechanical properties and shape memory characteristics. However, lack information are found on the role of Ni/Ti ratio on the microstructure of NI-Ti-Cu alloys. Furthermore, the investigation on Ti-Ni-Cu-X alloys are mostly focusing on the small addition of X (~2 At.%) in the alloys. Therefore, this paper presents the investigation on the influence of Ni/Ti ratio on the microstructure of Ni-Ti-Cu alloys and the influence of fourth element in Ni-Ti-Cu-X (where X= Fe, Sn, Cr, Nb, Co, Mo) alloys with respect to the phases formed in the respective alloy.
Thursday, August 18, 2011
FABRIKASI KAWAT SHAPE MEMORY ALLOY Ni-Ti SKALA LABORATORIUM
Prosiding Seminar Material Metalurgi, Serpong 13 Oktober 2010
Efendi Mabruri1), Bambang Sriyono1), Bintang Adjiantoro1), D.N.Adnyana2)
1)Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspiptek Gd. 470 Serpong, Tangerang 15314,Indonesia Email: efendi_lipi@yahoo.com
2)Balai Besar Teknologi Kekuatan dan Struktur-BPPT, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 15314,Indonesia
Abstrak
Shape memory alloy (SMA) memiliki kemampuan untuk merekoveri regangan plastis dan kembali ke bentuk awal pada saat dipanaskan. Dengan karakteristik shape memory effect (SME) seperti ini SMA dapat dimanfaatkan sebagai coupling (penyambung), konektor listrik dan aktuator. Shape memory alloy yang paling potensial dan memungkinkan untuk berbagai aplikasi di industri adalah paduan Ni-Ti karena memiliki keuletan yang lebih besar, regangan rekoveri lebih besar, ketahanan korosi yang ekselen, suhu transformasi yang stabil, biokompatibilitas yang tinggi dan dapat dipanaskan secara elektrik untuk rekoveri bentuk [Waran, 1993]. Sampai saat ini aplikasi paduan shape memory Ni-Ti telah menyebar di berbagai bidang seperti peralatan rumah tangga, teknik sipil, otomotif, mikro elektro-mekanik (MEM), peralatan medis dan lain-lain. Tulisan ini memaparkan kegiatan fabrikasi (reverse engineering) skala laboratorium kawat paduan shape memory Ni-Ti ekuiatomik dan karakterisasinya sebagai langkah awal dalam kegiatan pengembangan shape memory alloy di Indonesia. Kawat shape memory Ni-Ti yang dihasilkan pada kegiatan ini memiliki karakteristik shape memory yang sesuai dengan NiTi komersial.
Kata kunci: fabrikasi, laboratorium, shape memory alloys, kawat nikel-titanium.
Abstract
Shape memory alloys (SMA) have the ability to recover plastic strain and restore the alloys to the original shape upon heating. This shape memory effect (SME) can be used for coupling, electrical connecting and actuation. Nickel-titanium (Ni-Ti) is the most potential shape memory alloys for industrial applications due to its greater ductility, more recoverable strain, excellent corrosion resistance, stable transformation temperature, high biocompatibility, and the ability to be electrically heated for shape recovery [Waram, 1993]. To date, Ni-Ti SMA are found in widespread application such as home appliances, civil engineering, automotives, micro-electro mechanics (MEM), medical devices, and so on. This paper reports the fabrication and characterization of Ni-Ti shape memory wires in a laboratory-scale as the first step in the development of shape memory alloys in Indonesia. The Ni-Ti shape memory wires resulted from this work have the shape memory characteristics similar with those of the commercial Ni-Ti alloys.
Keywords: fabrication, laboratory, shape memory alloys, nickel-titanium wires.
Pendahuluan
Shape memory alloy (SMA) merupakan material cerdik-fungsi (smart dan functional) yang mempunyai kemampuan untuk merekoveri regangan plastis dan kembali ke bentuk awal pada saat dipanaskan. Fenomena ini merupakan hasil dari perubahan fasa kristalin yang dikenal dengan transformasi martenisitik thermoelastik [1-3]. Pada suhu rendah atau di bawah suhu transformasi, SMA memiliki fasa martensitik yang lunak dan dapat dideformasi plastis dengan mudah sehingga bentuknya berubah. Akan tetapi pada saat dipanaskan di atas suhu transformasi, dalam hal ini suhu terbentuknya austenit sampai 100% (Af), SMA mengalami perubahan struktur kristal menjadi fasa austenitik yang menyebabkan ia kembali ke bentuk semula sebelum dideformasi plastis. Sifat seperti ini dikenal dengan shape memory effect (SME).
Ada beberapa jenis paduan yang menunjukkan fenomena SME seperti paduan NiTi, Cu-based dan Fe-based alloy. Paduan Cu-based masih mempunyai masalah untuk skala aplikasi industri, yaitu terjadinya natural aging yang menyebabkan penurunan fenomena SME, dan pertumbuhan butir selama perlakukan termomekanik yang menyebabkan pergeseran suhu transformasi martensit termoelastik [4]. Shape memory alloy yang paling penting dan memungkinkan untuk aplikasi di industri adalah paduan NiTi. Paduan NiTi dapat dideformasi plastis sampai lebih dari 50% regangan, memiliki SME yang stabil dan NiTi dapat merekover bentuk awal (sampai regangan 8%) pada waktu dipanaskan di atas suhu trasformasi atau dapat menghasilkan tegangan restorasi yang tinggi (sampai 700 Mpa) [4-6].
Para peneliti, pendisain dan industri memanfaatkan potensi SME ini untuk aplikasi teknik. Pada awalnya SMA digunakan untuk peralatan statik seperti coupling (penyambung) untuk sistem perpipaan dan konektor listrik. Kemudian para peneliti mulai memanfaatkan peralatan SMA untuk aplikasi dinamik, yaitu sebagai aktuator. Untuk melakukan tugas dinamik ini, SMA harus dilakukan sebuah siklus pemanasan, pendinginan dan deformasi. Sumber untuk memanaskan SMA bisa berasal dari elektrik misalnya dalam aplikasi mikro robotik atau bisa dengan memanfaatkan suhu lingkungan seperti untuk aplikasi sistem pengaturan suhu. Beberapa contoh lain aplikasi yang menggunakan suhu lingkungan adalah misalnya peralatan SMA digunakan untuk membuka dan menutup jendela rumah kaca secara otomatis, mengoperasikan katup yang mengontrol suhu gedung, mengontrol kopling kipas pada otomobil dan mengontrol aliran oli pelumas pada sistem transmisi otomotif otomatik. Pada kelompok aplikasi ini peralatan SMA bertindak sebagai sensor termal dan aktuator, tidak ada sumber elektrik yang dibutuhkan pada sistem tersebut. Kemudian sebagai bagian dari mekanisme siklus SME, dibutuhkan gaya balik (bias force) dengan arah berlawanan untuk mengembalikan SMA ke posisi semula.
Penggunaan aktuator SMA memberikan alternatif yang menarik terhadap metoda aktuasi konvensional. Aktuator SMA telah diaplikasikan dengan sukses untuk kompensasi termal, aktuasi termal dan proteksi termal. Aktuator SMA merespon perubahan suhu dengan perubahan bentuk dengan kata lain dapat merubah energi panas menjadi energi mekanik. Aktuator SMA memberikan perubahan gerakan yang besar dengan ukuran yang relatif kecil sehingga menghasilkan output kerja yang tinggi. Dibandingkan dengan jenis-jenis aktuator lain (bi-metal, elektromagnet, PZT dan lain-lain), aktuator dari SMA memberikan output kerja spesifik/volume yang paling tinggi seperti ditunjukkan oleh Gambar 1. Aktuator SMA biasanya terdiri dari hanya satu komponen tunggal, misalnya dalam bentuk pegas spiral dan tidak membutuhkan sistem mekanik yang rumit. Aktuator SMA dapat dipasangkan pas ke dalam ruang di dalam desain yang telah ada dengan rapat, sedangkan aktuator termal yang lain seperti bimetal akan membutuhkan desain ulang dari produk.
Gambar 1. Perbandingan output kerja spesifik/volume dari jenis-jenis aktuator yang berbeda [2].
SMA sebagai material cerdik-fungsi mendapat perhatian yang besar baik dari sisi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi maupun dari sisi aplikasi industri. Sampai saat ini aplikasi SMA khususnya NiTi telah menyebar di berbagai bidang seperti ruang peralatan rumah tangga, teknik sipil, otomotif, mikro elektro-mekanik (MEM), peralatan medis dan lain-lain. Penguasaan teknologi pembuatan SMA sangat diperlukan dalam pembangunan nasional dalam kaitannya dengan usaha kemandirian bangsa dalam bidang teknologi material maju di berbagai industri yang disebutkan di atas. Tulisan ini memaparkan kegiatan fabrikasi (reverse engineering) dan karakterisasi kawat paduan shape memory Ni-Ti ekuiatomik sebagai langkah awal dalam kegiatan pengembangan shape memory alloy khususnya paduan yang berbasis Ni-Ti di Indonesia.
Efendi Mabruri1), Bambang Sriyono1), Bintang Adjiantoro1), D.N.Adnyana2)
1)Pusat Penelitian Metalurgi-LIPI, Kawasan Puspiptek Gd. 470 Serpong, Tangerang 15314,Indonesia Email: efendi_lipi@yahoo.com
2)Balai Besar Teknologi Kekuatan dan Struktur-BPPT, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 15314,Indonesia
Abstrak
Shape memory alloy (SMA) memiliki kemampuan untuk merekoveri regangan plastis dan kembali ke bentuk awal pada saat dipanaskan. Dengan karakteristik shape memory effect (SME) seperti ini SMA dapat dimanfaatkan sebagai coupling (penyambung), konektor listrik dan aktuator. Shape memory alloy yang paling potensial dan memungkinkan untuk berbagai aplikasi di industri adalah paduan Ni-Ti karena memiliki keuletan yang lebih besar, regangan rekoveri lebih besar, ketahanan korosi yang ekselen, suhu transformasi yang stabil, biokompatibilitas yang tinggi dan dapat dipanaskan secara elektrik untuk rekoveri bentuk [Waran, 1993]. Sampai saat ini aplikasi paduan shape memory Ni-Ti telah menyebar di berbagai bidang seperti peralatan rumah tangga, teknik sipil, otomotif, mikro elektro-mekanik (MEM), peralatan medis dan lain-lain. Tulisan ini memaparkan kegiatan fabrikasi (reverse engineering) skala laboratorium kawat paduan shape memory Ni-Ti ekuiatomik dan karakterisasinya sebagai langkah awal dalam kegiatan pengembangan shape memory alloy di Indonesia. Kawat shape memory Ni-Ti yang dihasilkan pada kegiatan ini memiliki karakteristik shape memory yang sesuai dengan NiTi komersial.
Kata kunci: fabrikasi, laboratorium, shape memory alloys, kawat nikel-titanium.
Abstract
Shape memory alloys (SMA) have the ability to recover plastic strain and restore the alloys to the original shape upon heating. This shape memory effect (SME) can be used for coupling, electrical connecting and actuation. Nickel-titanium (Ni-Ti) is the most potential shape memory alloys for industrial applications due to its greater ductility, more recoverable strain, excellent corrosion resistance, stable transformation temperature, high biocompatibility, and the ability to be electrically heated for shape recovery [Waram, 1993]. To date, Ni-Ti SMA are found in widespread application such as home appliances, civil engineering, automotives, micro-electro mechanics (MEM), medical devices, and so on. This paper reports the fabrication and characterization of Ni-Ti shape memory wires in a laboratory-scale as the first step in the development of shape memory alloys in Indonesia. The Ni-Ti shape memory wires resulted from this work have the shape memory characteristics similar with those of the commercial Ni-Ti alloys.
Keywords: fabrication, laboratory, shape memory alloys, nickel-titanium wires.
Pendahuluan
Shape memory alloy (SMA) merupakan material cerdik-fungsi (smart dan functional) yang mempunyai kemampuan untuk merekoveri regangan plastis dan kembali ke bentuk awal pada saat dipanaskan. Fenomena ini merupakan hasil dari perubahan fasa kristalin yang dikenal dengan transformasi martenisitik thermoelastik [1-3]. Pada suhu rendah atau di bawah suhu transformasi, SMA memiliki fasa martensitik yang lunak dan dapat dideformasi plastis dengan mudah sehingga bentuknya berubah. Akan tetapi pada saat dipanaskan di atas suhu transformasi, dalam hal ini suhu terbentuknya austenit sampai 100% (Af), SMA mengalami perubahan struktur kristal menjadi fasa austenitik yang menyebabkan ia kembali ke bentuk semula sebelum dideformasi plastis. Sifat seperti ini dikenal dengan shape memory effect (SME).
Ada beberapa jenis paduan yang menunjukkan fenomena SME seperti paduan NiTi, Cu-based dan Fe-based alloy. Paduan Cu-based masih mempunyai masalah untuk skala aplikasi industri, yaitu terjadinya natural aging yang menyebabkan penurunan fenomena SME, dan pertumbuhan butir selama perlakukan termomekanik yang menyebabkan pergeseran suhu transformasi martensit termoelastik [4]. Shape memory alloy yang paling penting dan memungkinkan untuk aplikasi di industri adalah paduan NiTi. Paduan NiTi dapat dideformasi plastis sampai lebih dari 50% regangan, memiliki SME yang stabil dan NiTi dapat merekover bentuk awal (sampai regangan 8%) pada waktu dipanaskan di atas suhu trasformasi atau dapat menghasilkan tegangan restorasi yang tinggi (sampai 700 Mpa) [4-6].
Para peneliti, pendisain dan industri memanfaatkan potensi SME ini untuk aplikasi teknik. Pada awalnya SMA digunakan untuk peralatan statik seperti coupling (penyambung) untuk sistem perpipaan dan konektor listrik. Kemudian para peneliti mulai memanfaatkan peralatan SMA untuk aplikasi dinamik, yaitu sebagai aktuator. Untuk melakukan tugas dinamik ini, SMA harus dilakukan sebuah siklus pemanasan, pendinginan dan deformasi. Sumber untuk memanaskan SMA bisa berasal dari elektrik misalnya dalam aplikasi mikro robotik atau bisa dengan memanfaatkan suhu lingkungan seperti untuk aplikasi sistem pengaturan suhu. Beberapa contoh lain aplikasi yang menggunakan suhu lingkungan adalah misalnya peralatan SMA digunakan untuk membuka dan menutup jendela rumah kaca secara otomatis, mengoperasikan katup yang mengontrol suhu gedung, mengontrol kopling kipas pada otomobil dan mengontrol aliran oli pelumas pada sistem transmisi otomotif otomatik. Pada kelompok aplikasi ini peralatan SMA bertindak sebagai sensor termal dan aktuator, tidak ada sumber elektrik yang dibutuhkan pada sistem tersebut. Kemudian sebagai bagian dari mekanisme siklus SME, dibutuhkan gaya balik (bias force) dengan arah berlawanan untuk mengembalikan SMA ke posisi semula.
Penggunaan aktuator SMA memberikan alternatif yang menarik terhadap metoda aktuasi konvensional. Aktuator SMA telah diaplikasikan dengan sukses untuk kompensasi termal, aktuasi termal dan proteksi termal. Aktuator SMA merespon perubahan suhu dengan perubahan bentuk dengan kata lain dapat merubah energi panas menjadi energi mekanik. Aktuator SMA memberikan perubahan gerakan yang besar dengan ukuran yang relatif kecil sehingga menghasilkan output kerja yang tinggi. Dibandingkan dengan jenis-jenis aktuator lain (bi-metal, elektromagnet, PZT dan lain-lain), aktuator dari SMA memberikan output kerja spesifik/volume yang paling tinggi seperti ditunjukkan oleh Gambar 1. Aktuator SMA biasanya terdiri dari hanya satu komponen tunggal, misalnya dalam bentuk pegas spiral dan tidak membutuhkan sistem mekanik yang rumit. Aktuator SMA dapat dipasangkan pas ke dalam ruang di dalam desain yang telah ada dengan rapat, sedangkan aktuator termal yang lain seperti bimetal akan membutuhkan desain ulang dari produk.
Gambar 1. Perbandingan output kerja spesifik/volume dari jenis-jenis aktuator yang berbeda [2].
SMA sebagai material cerdik-fungsi mendapat perhatian yang besar baik dari sisi perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi maupun dari sisi aplikasi industri. Sampai saat ini aplikasi SMA khususnya NiTi telah menyebar di berbagai bidang seperti ruang peralatan rumah tangga, teknik sipil, otomotif, mikro elektro-mekanik (MEM), peralatan medis dan lain-lain. Penguasaan teknologi pembuatan SMA sangat diperlukan dalam pembangunan nasional dalam kaitannya dengan usaha kemandirian bangsa dalam bidang teknologi material maju di berbagai industri yang disebutkan di atas. Tulisan ini memaparkan kegiatan fabrikasi (reverse engineering) dan karakterisasi kawat paduan shape memory Ni-Ti ekuiatomik sebagai langkah awal dalam kegiatan pengembangan shape memory alloy khususnya paduan yang berbasis Ni-Ti di Indonesia.
Subscribe to:
Posts (Atom)
