II.6. PROSES PEMBUATAN MATERIAL KERAMIK
II.6.2. Proses Pembentukan Keramik
Ada beberapa cara proses pembentukan keramik tergantung bentuk dan ukuran yang dikehendaki yaitu (Franklin 1976) :
a. Proses Pembentukan Dengan Tekan ( Die Pressing )
Metode ini cocok dilakukan untuk membuat bentuk yang sederhana dan tebal. Pada proses ini ditambahkan bahan pembantu misalnya : bahan perekat (cellulose, polyvinil alkohol) dan bahan pelumas (asam sterat). Proses cetak tekan ada dua macam yaitu : dengan tekanan biasa yang arah tekanannya satu arah dan dengan cara isostatik pres yang arah tekanannya kesegala arah. Skema proses pencetakan keramik dengan kedua cara tersebut ditunjukkan pada Gambar II.6 dan Gambar II.7.
Gambar II.6. Skema pembentukan dengan cara tekan satu arah (Reed 1988).
Gambar II.7. Skema pembentukan dengan cara isostatik pres (Franklin 1976). b. Proses Pembentukan Dengan Ekstrusi.
Cara ini dilakukan untuk bahan yang memiliki plastisitas tinggi, biasanya untuk membuat produk dalam bentuk pipa, bata berlubang dan filter honeycomb. Untuk
bahan yang tidak plastis perlu ditambahkan bahan tambahan yaitu plastisizing agent. Model mesin ektrusi ditunjukkan pada Gambar II.8.
Gambar II.8. Model mesin ekstrusi (Reed,1988). c. Proses Pembentukan Dengan Cara Cor.
Cara ini digunakan untuk membentuk produk-produk keramik yang memiliki bentuk yang rumit. Pencetakan dengan cara ini harus disediakan massa tuang dalam bentuk suspensi dengan kekentalan dan kandungan padatan yang tertentu, agar dapat dengan mudah dituangkan pada cetakan yang terbuat dari gips (plaster of Paris). Sifat rheologi massa tuang sangat menentukan hasil cetakannya. Skema proses pencetakan dengan cara slip casting ditunjukkan pada Gambar II.9.
II.6.3. Proses Pembakaran (Sintering)
Sintering adalah suatu proses pembakaran keramik setelah melalui proses pencetakan sehingga diperoleh suatu produk keramik yang kuat dan lebih padat. Suhu pembakaran
pada proses sintering sangat tergantung sekali dengan jenis bahan keramik, umumnya
disekitar 80-90% dari titik lebur campuran bahan baku yang digunakan. Selama
berlangsungnya proses sintering akan terjadi pengurangan pori, penyusutan dan
perubahan ukuran butir. Terjadinya pengurangan pori dan pertumbuhan butir (grain
growth) selama proses sintering akibat proses difusi diantara butir. Jenis proses difusi akan memberikan efek terhadap perubahan sifat-sifat fisis yaitu perubahan densitas, porositas, penyusutan dan ukuran butir. Faktor-faktor yang menentukan proses dan mekanisme sintering antara lain : jenis bahan, komposisi, bahan pengotornya dan ukuran partikel. Proses sintering dapat berlangsung apabila (Reynen 1979) :
1.Adanya perpindahan materi diantara butiran yang disebut proses difusi
2.Adanya sumber energi yang dapat mengaktifkan transfer materi, energi tersebut
digunakan untuk menggerakan butiran hingga terjadi kontak dan ikatan yang sempurna.
Energi untuk menggerakan proses sintering disebut gaya dorong (driving force) yang ada hubungannya dengan energi permukaan butiran ( ). Gaya dorong tersebut dapat diilustrasikan dari dua buah bola yang berukuran sama yang saling kontak dengan ukuran kontak x seperti ditunjukan pada Gambar II.10. Gaya dorong ( ) untuk terjadinya kontak tersebut dapat bersifat tekan bila lekukan kontak (neck) tersebut cembung dan bersifat tarik bila lekukan kontak (neck) tersebut cekung (Ristic 1989).
Gambar II.10. Model Dua Bola Saling Kontak Dengan Pembentukan Leher Kontak (neck) (Ristic 1989).
Persamaan gaya dorong ( ) dapat ditulis (Ristic 1989) :
x
γ
σ= ... II.2
Gaya dorong tersebut diperoleh melalui pemberian energi yang dalam hal ini berupa pemberian panas dari luar pada suatu proses pembakaran. Energi permukaan partikel ( ) persatuan volum berbanding terbalik dengan ukuran partikel [Ristic, 1989, William, 1991]. Berarti proses sintering dari partikel-partikel halus akan lebih cepat dibandingkan partikel-partikel yang besar atau densitas sinternya semakin tinggi. Pada Gambar II.11 ditunjukkan suatu contoh pengaruh ukuran partikel terhadap proses sintering (Coblenz,1991).
Gambar II.11. Kurva hubungan % sintering density terhadap berbagai ukuran partikel keramik
Al2O3 yang disinter pada 16000C (Coblenz,1991).
Proses perpindahan materi (difusi) selama proses sintering ditunjukkan pada Gambar II.12. Ada beberapa mekanisme difusi selama proses sintering yaitu (Coblenz,1991) : difusi volume, difusi permukaan, difusi batas butir dan difusi secara penguapan dan kondensasi. Tiap-tiap mekanisme difusi tersebut akan memberikan efek terhadap perubahan sifat fisis bahan setelah sintering antara lain perubahan : densitas, porositas, penyusutan dan pembesaran butiran.
(1) Difusi permukaan (2),(5),(6) difusi volume (3)penguapan kondensasi (4) difusi batas butir ( grain boundary diffusion)
Gambar II.12. Mekanisme Perpindahan Materi Selama Sintering (Coblenz,1991).
Pada proses sintering keramik ada beberapa tahapan yaitu meliputi (Muljadi 1994) :
A. Tahapan awal
partikel-partikel keramik saling kontak satu dengan yang lainnya setelah proses pencetakan.
B. Tahapan mulai sintering
Pada tahapan ini sintering milai berlangsung dan permukaan kontak kedua partikel semakin lebar. Perubahan ukuran butiran maupun pori belum terjadi.
Gambar II.13.b. Tahapan Mulai Sintering
C. Tahapan pertengahan sintering
.
Pori-pori pada batas butir saling menyatu dan terjadi pembentukan kanal-kanal pori dan ukuran butiran mulai membesar
Gambar II.13.c. Tahapan Pertengahan Sintering
D. Tahapan akhir sintering
Pada tahapan ini batas butir bergerak dan terjadi pembesaran ukuran butiran sampai kanal-kanal pori tertutup dan sekaligus terjadi penyusutan
Gambar II.13.d. Tahapan Akhir Sintering
Peningkatan densitas dan penyusutan lebih banyak disebabkan adanya difusi batas butir (Muljadi 1994). Laju penyusutan dipengaruhi oleh waktu dan suhu sintering. Hubungan laju penyusutan dengan waktu dan suhu sintering ditunjukkan pada persamaan (Coblenz,1991) :
5 / 6 5 / 2 5 / 2 4 , 1 r t kT D L L ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Ω = ∆ γ ... II.3 dengan : L/L : penyusutan (shrinkage) : energi permukaan k : konstanta Boltzman r : jari-jari D : koefisien difusi t : waktu T : suhu
Beberapa parameter yang dapat dijadikan acuan untuk mengevaluasi proses sintering material keramik adalah : Porositas, densitas, sifat listrik, kekuatan mekanik, dan penyusutan (shrinkage) . Hubungan antara parameter tersebut terhadap suhu sintering untuk keramik secara umum ditunjukan pada Gambar II.13.
Gambar II.14.Hubungan Suhu Sintering Terhadap Perubahan Sifat –Sifat Material Keterangan : (1) Porositas, (2) Densitas, (3) Sifat listrik, (4) Kekuatan Mekanik,
Pengaruh suhu sintering terhadap perubahan densitas dan porositas saling berlawanan, suhu sintering semakin tinggi maka densitas, kekuatan mekanik dan ukuran butir semakin besar sedangkan porositas dan sifat listrik menurun.