ANALISIS STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK CAMPURAN SERBUK AL-POFA TERHADAP
VARIASI TEMPERATUR SINTERING
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
M. NURUL AZHARI 120401078
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2017
ABSTRAK
Untuk menambah kekuatan dari sifat mekanis dari logam yang digunakan dalam komposit tersebut salah satu caranya yaitu dengan melakukan perlakuan panas.
Perlakuan panas pada logam dapat mengubah struktur mikro dari logam sehingga akan berpengaruh terhadap sifat mekanisnya. Penelitian terhadap variasi temperatur sintering bertujuan untuk mengetahui sifat fisis dan mekanis pada campuran serbuk aluminium 95% dan palm oil fly ash 5%. Campuran tersebut dikompaksi dengan tekanan 243 Mpa, selanjutnya dilakukan proses sintering dengan variasi suhu 462
oC, 495 oC, 528oC, 562 oC dan 594 oC. Dari hasil pengujian yang dilakukan diperoleh bahwa kenaikan bending, kekerasan vickers dan densitas optimum pada suhu 594 oC dengan nilai 38,2 Mpa, kekerasan 28,6 VHN dan 2,25 gr/cm3. Pada suhu 462 oC nilai minimum yaitu 11,46 Mpa, kekerasan 22,52 VHN, dan 1,79 gr/cm3. Peningkatan suhu sintering pada mikrostruktur dapat membentuk batas- batas butir yang mengakibatkan antar butir saling mengikat satu dengan lainnya sehingga akan merubah struktur butir pada spesimen.
Kata Kunci: Serbuk Alumunium, Sintering, sifat mekanik dan mikrostruktur.
ABSTRACT
To add the strength of the mechanical properties of the metal used in the composite one way is by performing heat treatment. Metal heat treatment can alter the microstructure of the metal so that it will affect the mechanical properties. Research on the sintering temperature variation aims to determine the physical and mechanical properties at 95% mixture of aluminum powder and palm oil fly ash 5%. The mixture was compacted with a pressure of 243 MPa, a sintering process is then performed with a temperature variation of 462 ° C, 495 ° C, 528 ° C, 562 ° C and 594 o C. From the results of tests performed showed that the increase in bending, hardness vickers and optimum density at a temperature of 594 ° C with a value of 38.2 Mpa, hardness VHN 28.6 and 2.25 g / cm 3. At a temperature of 462 ° C minimum value is 11.46 MPa, hardness VHN 22.52, and 1.79 g / cm 3. Increasing the sintering temperature on the microstructure can form grain boundaries between the grains which resulted in mutually binding to each other so that will change the grain structure of the specimen.
Keywords : Aluminium powder, Sintering, Mechanical properties and Microstructure
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum, Wr. Wb
Alhamdulillah Rabbil ‘Alamin, segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT. yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian skripsi yang dipilih dari mata kuliah Metalurgi Serbuk dengan judul “Analisis Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Campuran Serbuk AL-POFA Terhadap Variasi Temperatur Sintering”.
Laporan ini disusun berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya kurang lebih selama 3 bulan, mulai dari Oktober hingga Desember 2016. Adapun laporan skripsi ini disusun adalah sebagai salah satu syarat mahasiswa untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dan tentu saja laporan skripsi ini tidak akan selesai tanpa dukungan dari pembimbing dan bantuan dari berbagai pihak, baik selama penelitian ataupun pada saat penyusunan laporan.
Oleh karena itu, tidak berlebihan kiranya kalau penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga ke semua pihak, khususnya kepada :
1. Bapak Suprianto, ST. MT selaku Dosen Pembimbing Skripsi di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang telah senantiasa sabar dalam memberikan pengarahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.
2. Kedua orang tua tercinta (Ayah Khairul Amri dan Mama Nurhayati P), yang telah banyak memberi dukungan moril maupun materi serta doa dan motivasi yang tiada hentinya untuk memberikan semangat kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU.
4. Seluruh Staf Pengajar dan seluruh Pegawai Administrasi di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Agung Sandi Prakasa dan Denny Wahyudi selaku rekan satu team dalam penelitian skripsi, yang telah banyak membantu dan bekerja sama dengan baik selama proses penelitian.
6. Dan seluruh kawan-kawan stambuk 2012 yang telah memberikan dukungan baik berupa tenaga dan motivasi kepada penulis.
Semoga skripsi ini dapat memberikan ilmu tambahan bagi penulis maupun pembaca serta dapat bermanfaat bagi orang lain. Penulis menyadari akan kekurangan skripsi ini sehingga penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi. Penulis mengucapkan banyak terima kasih atas kerjasamanya.
Wassalamualaikum Wr. Wb.
Medan, Januari 2017 Penulis
M. Nurul Azhari NIM. 120401078
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ...v
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ...x
DAFTAR NOTASI ... xi
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1. Latar Belakang ...1
1.2. Rumusan masalah ...2
1.3. Tujuan Penelitian ...3
1.4. Manfaat penelitian ...3
1.5. Batasan masalah ...3
1.6. Sistematika Penulisan ...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1. Metalurgi Serbuk ...5
2.1.1. Pembuatan Serbuk ...7
2.1.2. Sifat Khusus Sebuk Logam ...10
2.1.3. Bentuk Partikel Serbuk ...11
2.2. Mesin Pencampur ...12
2.2.1. Pencampuran ...13
2.3. Metal Matrix Composite ...16
2.4. Alumunium ...18
2.4.1. Sifat Mekanik Alumunium ...19
2.5. Kompaksi ...21
2.6. Sintering ...26
2.7. Fly Ash ...29
2.7.1. Fly Ash Batubara ...30
2.7.2. Palm Oil Fly Ash ...30
2.8. Pengujian Sifat Mekanik ...35
2.8.1. Kekerasan ...35
2.8.2. Densitas ...39
2.8.3. Bending ...39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...41
3.1. Tempat dan Waktu ...41
3.1.1 Tempat Penelitian...41
3.2. Bahan dan Peralatan ...42
3.2.1. Bahan...42
3.2.2. Peralatan ...42
3.3. Diagram Alir Penelitian ...50
3.4. Prosedur Pengujian...51
3.4.1. Proses Penimbangan Serbuk ...51
3.4.2. Proses Pengadukan Serbuk ...51
3.4.3. Proses Pencetakan Spesimen...51
3.4.4. Proses Sintering ...52
3.4.5 Pengujian Kekerasan (Vickers) ...52
3.4.6 Pengujian Densitas ...52
3.4.7 Pengujian Bending ...53
3.4.8 Pengujian Metalografi ...53
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ...55
4.1. Hasil Pencetakan Spesimen...55
4.2. Hasil Uji Kuat Tekan(Bending) ...56
4.3. Hasil Pengujian Kekerasan(Vickers Test) ...59
4.4. Hasil Pengujian Makrostruktur ...64
4.5. Hasil Pengujian Mikrostruktur ...66
4.6. Hasil Pengujian Densitas...69
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...72
DAFTAR PUSTAKA ...73
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses metalurgi serbuk ...6
Gambar 2.2 Proses atomisasi air...7
Gambar 2.3 Mekanisme pembentukan serbuk atau partikel yang terjadi dalam atomisasi air ...8
Gambar 2.4 Pembuatan serbuk dengan ball mill ...10
Gambar 2.5 Bentuk Partikel Serbuk ...12
Gambar 2.6 Jenis-jenis wadah pencampur ... 13
Gambar 2.7 Mekanisme pencampuran serbuk ... 14
Gambar 2.8 Serbuk Alumunium ... 19
Gambar 2.9 Penekanan satu arah (a) dan penekanan dua arah (b). ... 22
Gambar 2.10 Skema proses kompaksi pada serbuknya ... 25
Gambar 2.11 Ketidakhomogenan berat jenis akibat proses kompaksi ...26
Gambar 2.12 Tahapan Sintering ... 27
Gambar 2.13 Tahap pertumbuhan leher dengan rasio X/D ... 28
Gambar 2.14 Densifikasi pada proses sinter ... 28
Gambar 2.15 Pemisahan pori dan pembulatan pori pada tahap akhir ... 29
Gambar 2.16 Diagram Alir Palm Oil Fly Ash (POFA) ... 31
Gambar 2.17 Abu Terbang (Palm Oil Fly Ash) ... 31
Gambar 2.18 Bottom ash sesudah dan sebelum di grinding ... 32
Gambar 2.19 Partikel fly ash ... 32
Gambar 2.20 Mesin uji kekerasan Vickers ... 37
Gambar 2.21 Bentuk indentor Vickers ... 38
Gambar 2.22 Proses Pengukuran Kekerasan Dengan Metode Vickers ... 38
Gambar 2.23 Three Point Bending ... 40
Gambar 3.1 Serbuk Aluminium ... 42
Gambar 3.2 Palm oil fly ash ... 43
Gambar 3.3 Bedak ... 43
Gambar 3.4 Mesin pencampur... 44
Gambar 3.5 Universal Testing Machine ... 44
Gambar 3.6 Microskop optic ... 45
Gambar 3.7 Vickers Hardness Tester ...45
Gambar 3.8 Mesin Ayakan ... 46
Gambar 3.9 Timbangan digital ... 46
Gambar 3.10 Mesin Furnance ... 47
Gambar 3.11 Polishing machine ... 47
Gambar 3.12 Cetakan ... 48
Gambar 3.13 Stopwatch ...48
Gambar 3.14 Diagram Alir Proses Penelitian ...49
Gambar 4.1 Spesimen Green Compact ... 55
Gambar 4.2 Spesimen setelah sintering ... 55
Gambar 4.3 Pengujian Bending ... 56
Gambar 4.4 Grafik Variasi Temperatur Sintering ...58
Gambar 4.5 Besar panjang diagonal indentasi pada spesimen sintering 462oC ...59
Gambar 4.6 Besar panjang diagonal indentasi pada spesimen sintering 495oC ...60
Gambar 4.7 Besar panjang diagonal indentasi pada spesimen sintering 528oC ...60
Gambar 4.8 Besar panjang diagonal indentasi pada spesimen sintering 561oC ...61
Gambar 4.9 Besar panjang diagonal indentasi pada spesimen sintering 594 oC ... 61
Gambar 4.10 Grafik Pengaruh Temperatur Sintering Terhadap Kekerasan Al-POFA...63
Gambar 4.11 Bentuk retakan pada saat pengujian bending ...65
Gambar 4.12 Bentuk Foto makro dari patahan pada setiap variasi tempetarur sintering ...66
Gambar 4.13 Struktur mikro dengan suhu sintering 462 oC ...67
Gambar 4.14 Struktur mikro dengan suhu sintering 495 oC ...67
Gambar 4.15 Struktur mikro dengan suhu sintering 528 oC ...67
Gambar 4.16 Struktur mikro dengan suhu sintering 561 oC ...68
Gambar 4.17 Struktur mikro dengan suhu sintering 594 oC ...70
Gambar 4.18 Grafik Pengaruh Temperatur Sintering Terhadap Nilai
Densitas Al-POFA ...67
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat Fisik Alumunium ... 21
Tabel 2.2 Tekanan kompaksi pada berbagai macam serbuk logam ... 24
Tabel 2.3 Chemical composition Palm Oil Fly Ash ... 33
Tabel 2.4 Teknik Pengujian Kekerasan ... 36
Tabel 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 41
Tabel 3.2 Komposisi Alumunium ...42
Tabel 3.3 Hasil Pengujian Komposisi POFA ... 42
Tabel 4.1 Data Hasil Uji Bending dengan variasi temperatur sintering ... 57
Tabel 4.2 Data Hasil Uji Kekerasan Vickers ... 62
Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Densitas ... 69
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
VHN kekerasan VHN
TRS Transverse Rupture Strength MPa
L Jarak antar tumpuan mm
t Tinggi Spesimen mm
W Lebar Spesimen mm
P Force Kgf
D Diagonal rata-rata mm
ρ Exp Densitas eksprimen gr/cm3
ms massa sampel kering kg
mg massa sampel yang digantung di dalam air mm
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan teknologi yang sangat pesat belakangan ini khususnya dalam teknologi manufaktur membutuhkan suatu material dengan sifat mekanis yang sangat baik yaitu ringan dan juga kuat. Material komposit dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif yang dapat digunakan untuk menjawab tantangan ini (Anne Aulfia, 2007). Secara umum, pengembangan teknologi komposit bertujuan untuk meningkatkan efisiensi struktur dan karakterisasi sifat material yang signifikan, seperti untuk aplikasi material yang ringan tetapi sangat kuat (S. Deni, et.all., 2008).
Unsur – unsur pembentuk komposit disebut penguat (serat atau partikel) dan pengikat (matrik).
Matrik berfungsi untuk mengisi ruang dalam komposit, mengikat serat agar tetap pada posisinya, mentransfer tegangan ke serat, menjaga permukaan serat dari pengikisan dan menjaga serat dari pengaruh lingkungan luar. Keunggulan bahan komposit adalah sifat-sifatnya yang unggul seperti ringan, kuat, kaku, serta tahan terhadap korosi beban lelah, dengan alasan ini bahan tersebut semakin banyak digunakan di dunia Industri (Sigit Budihartono 2012).
Material komposit yang sedang diteliti secara serius saat ini adalah Metal Matrix Composite (MMC). Metal matrix composites (MMC) telah mendapat perhatian yang cukup besar karena reputasi mereka sebagai bahan kuat, kaku dan ringan atas dasar alloy. Metal matrix composites (MMC) sedikitnya terdiri dari dua komponen, yaitu matrik logam dan penguat dalam bentuk serbuk, palet, whisker, serat pendek atau serat kontinyu (Sulardjaka, dkk 2011). Salah satu cara pembentukan Metal matrix composites (MMC) adalah dengan metode metalurgi serbuk.
Keuntungan metalurgi serbuk adalah pembuatan komponen relatif lebih murah, produk yang dihasilkan langsung dapat digunakan tanpa perlu dilakukan proses permesinan dan dapat diproduksi dalam skala kecil maupun massal (Toto dan Lilik, 2006). Metalurgi serbuk merupakan proses pembuatan serbuk dan benda jadi dari serbuk logam atau paduan logam melalui proses penekanan dan disertai
proses pemanasan (sintering) tetapi, suhu pemanasan harus berada di bawah titik cair serbuk (Martha dan Wahyono).
Beberapa tahun terakhir ini telah banyak dikembangkan Al-Cu-fly ash sebagai komposit matriks logam. Aluminium yang dikenal sebagai logam yang mempunyai sifat ringan, tahan korosi, penghantar listrik yang baik digunakan sebagai matriks sedangkan fly ash berfungsi sebagai penguat (M.Faizin alamsyah,2013) dan pada penelitian lain pembuatan paduan alumunium-fly ash batubara (ALFA) menggunakan teknik gravity dan squeeze casting terdapat kekurangan seragaman distribusi fly ash (Bienas J., dkk, 2003).
Penggunaan fly ash ternyata dapat menghasilkan komposit aluminium dengan sifat mekanik yang baik dengan biaya murah yang dapat bersaing dengan komposit sejenis lainnya. Untuk menambah kekuatan dari sifat mekanis dari logam yang digunakan dalam komposit tersebut salah satu caranya yaitu dengan melakukan perlakuan panas. Perlakuan panas pada logam dapat mengubah struktur mikro dari logam sehingga akan berpengaruh terhadap sifat mekanisnya. Dengan perlakuan panas dapat membentuk sifat logam sesuai dengan penggunaan dari logam tersebut (Totten, George. E, 1999).
Oleh karena itu, berdasarkan penelitian-penelitian di atas penulis mencoba meneliti paduan yang dibuat dari serbuk alumunium sebagai matrik dan palm oil fly ash (POFA) sebagai penguat dengan cara proses kompaksi sampai proses sinter dengan variabel temperatur pemanasan (sinter). Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh variabel-variabel tersebut terhadap sifat mekanis antara lain: kekerasan, densitas/ porositas, dan bending, serta struktur mikro material komposit matriks logam Al-POFA.
1.2. Rumusan Masalah
Pada penelitian ini pokok permasalahan yang akan dibahas adalah bagaimana pengaruh variasi suhu sintering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik campuran alumunium, palm oil fly ash dengan proses metalurgi serbuk.
1.3. Tujuan Penelitian
Adapun maksud dari tujuan penelitian ini dibagi menjadi 2 tujuan yaitu:
1.3.1. Tujuan Umum
Tujuan umum dari penelitian ini yaitu mengetahui struktur mikro dan sifat mekanik pada campuran alumunium, palm oil fly ash dengan pengaruh suhu sintering.
1.3.2. Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini yaitu:
1. Mengetahui pengaruh variasi suhu sintering terhadap campuran serbuk alumunium, palm oil fly ash.
2. Mengetahui pengaruh penambahan palm oil fly ash terhadap tingkat kekerasan, bending, densitas, dan mikrostruktur.
1.4. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat penelitian ini yaitu:
1. Bagi penulis
Penulis berharap dapat memperoleh tambahan pengetahuan dari pencampuran bahan alumunium untuk meningkatkan sifat mekaniknya.
2. Bagi akademik
Sebagai referensi bagi mahasiswa untuk penelitian lebih lanjut mengenai fly ash dengan campuran bahan lainnya.
1.5. Batasan Masalah
Masalah yang dibahas dalam penelitian ini dibatasi oleh beberapa hal yaitu:
1. Bahan yang diuji adalah bahan komposit alumunium, palm oil fly ash.
2. Pengujian sifat mekanik dibatasi pada pengujian kekerasan, bending, dan mikrostruktur.
3. Pada penelitian ini variasi suhu sintering yaitu 462, 495, 528, 561 dan 594 derajat celcius.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada tugas akhir ini terbagi menjadi lima bab yaitu:
➢ Bab I Pendahuluan
Berisi tentang Pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
➢ Bab II Tinjauan Pustaka
Berisi tentang landasan teori yang diperlukan dengan bahan alumunium, palm oil fly ash, kompaksi dan sintering yang didapat dari literatur.
➢ Bab III Metodologi Penelitian
Berisi tentang waktu dan tempat pengujian spesimen, peralatan pengujian, prosedur serta tata cara pengujian.
➢ Bab IV Hasil dan Analisa Pengujian
Berisi tentang data-data yang diperoleh dari hasil pengujian yang telah dilakukan dalam bentuk tabel maupun grafik serta hasil pengamatan mikro.
➢ Bab V Kesimpulan dan Saran
Berisi tentang kesimpulan dan saran yang diperoleh dari pengujian yang dilakukan.
➢ Daftar Pustaka
Berisi tentang litelatur yang di gunakan untuk menyusun laporan.
➢ Lampiran
Berisi tentang hasil data yang diperoleh dari pengujian.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Metalurgi Serbuk
Metalurgi serbuk adalah suatu kegiatan yang mencakup pembuatan benda komersial, baik yang jadi atau masih setengah jadi (disebut kompak mentah), dari serbuk logam melalui penekanan. Proses ini dapat disertai pemanasan akan tetapi suhu harus berada di bawah titik cair serbuk. Pemanasan selama proses penekanan atau sesudah penekanan yang dikenal dengan istilah sinter menghasilkan pengikatan partikel halus. Dengan demikian, kekuatan dan sifat-sifat fisis lainnya meningkat. Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk campuran serbuk berbagai logam atau dapat pula terdiri dari campuran bahan bukan logamuntuk meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda jadi secara keseluruhan (Toto, 2006).
Penggabungan aluminium – fly ash sangat dipengaruhi oleh control interface antara matriks dan penguat. Proses pembuatan komposit degan teknologi metalurgi serbuk ada dua hal utamanya yaitu (Froyen, 1994):
a. Reaksi interface antara matrik dan penguat sangat terbatas, yang digunakan untuk mengurangi kekosongan pada penguat, dan formasi itu membentuk phase baru yang keras.
b. Pengikat yang baik (kuat dan lemah) ditentukan dari sifat-sifat mekanis yang diinginkan, diantaranya untuk ketangguhan patah yang tinggi atau sifat ketahanan lengkung yang baik.
Tahapan pada teknologi metalurgi serbuk, terdiri dari beberapa langkah yaitu Mixing, Precompaction, dan Hot consolidation (full density processing) (Verlinden, 1994):
a) Mixing
Penggabungan serbuk yang memiliki komposisi kimia yang berbeda sehingga diperoleh campuran yang homogen, yaitu dengan menggabungkan antara serbuk matrik dan penguat.
b) Precompaction
Serbuk ditekan dengan tekanan yang rendah untuk mendapatkan bentuk green compact, yang memiliki kerapatan lebih besar dibandingkan sebelum mendapatkan proses compacting, tapi kekuatan dan kekerasannya relative rendah.
c) Hot consolidation (full density processing)
Hot consolidation (full density processing) yang akan dilakukan dengan cara hot isonstatic pressing, yaitu suatu proses penekanan panas yang dilakukan pada suhu dan tekanan tinggi, menggunakan tekanan isostatic (tekanan sama ke segala arah), dengan menggunakan serbuk aluminium sebagai media tekan (Verlinden, 1994). Kompaksi dan sintering dalam proses hot isostatic pressing dilakukan secara bersamaan. Parameter yang dikontrol adalah tekanan, temperatur dan waktu untuk menghasilkan material yang memiliki kerapatan tinggi (porositas hamper tidak ada) yang dapat meningkatkan sifat mekanik bahan (Thumler, 1993).
Keuntungan lain dari metode metalurgi serbuk ini adalah pengontrolan material penyusun menjadi lebih mudah untuk mendapatkan sifat mekanik dan sifat fisis sesuai dengan variasi yang diinginkan (German R.M, 1984). Langkah-langkah yang harus dilalui dalam metalurgi serbuk, antara lain :
1. Preparasi material 2. Pencampuran (mixing) 3. Penekanan (kompaksi) 4. Pemanasan (sintering)
Gambar 2.1. Proses metalurgi serbuk
2.1.1. Pembuatan Serbuk
Pembuatan serbuk merupakan salah satu proses utama dalam metode metalurgi serbuk. Serbuk logam banyak memberikan pengaruh pada kualitas produk akhir, bentuk bubuk dan ukuran bubuk menjadi faktor yang sangat penting, akan tetapi tidaklah mudah untuk mengendalikan keadaan-keadaan itu. Secara umum proses pembuatan serbuk dibagi menjadi tiga yaitu :
1. Metode Fisik
Pembuatan serbuk dengan metode fisik yang paling banyak digunakan adalah proses atomisasi yang prinsipnya adalah mengalirkan logam cair melalui celah nozzle. Kemudian aliran logam cair disemprotkan dengan tekanan udara atau air sehingga membeku menjadi serbuk. Dalam proses ini harus diperhatikan lubang alat, temperatur proses dan tekanan penyemprotan karena hal ini berhubungan erat dengan sifat dari serbuk. Ukuran serbuk hasil atomisasi mempunyai variasi yang luas tergantung dari kondisi proses yang digunakan.
Peningkatan tekanan gas atau air akan menghasilkan serbuk yang lebih halus.
Pembuatan serbuk dengan metode ini biasanya digunakan untuk logam Cu, Al, Zn, Pb, dan logam lain yang mempunyai temperatur lebur rendah. Atomisasi air adalah teknik yang paling umum untuk memproduksi serbuk dari logam yang mempunyai titik lebur dibawah 1600 oC. Air yang bertekanan tinggi disemprotkan secara langsung pada lelehan logam, sehingga memaksa disintegrasi dari lelehan logam tersebut dan terjadi pemadatan dengan cepat.
Proses dan mekanisme atomisasi dengan tekanan air ditunjukkan pada gambar 2.2 dibawah ini.
Gambar 2.2. Proses atomisasi air (Kalpakjian, 1989)
Proses atomisasi air terjadi ketika logam cair dari nozzle bertabrakan dengan air yang disemprotkan dari sprayer, seperti diperlihatkan pada gambar. 2.2. Adapun proses pembentukan serbuk yang mungkin terjadi dalam proses atomisasi adalah cratering, splashing, stripping dan bursting, seperti terlihat pada gambar 2.3.
a. Cratering adalah proses terjadinya tumbukan antara logam cair dengan satu butir air dari sprayer sehingga terbentuk satu melt droplet (butiran logam cair )
b. Splashing adalah proses terjadinya tumbukan antara logam cair dengan satu butir air dari sprayer dan terbentuk lebih dari satu melt droplet (butiran logam cair).
c. Stripping adalah proses terjadinya tumbukan antara logam cair dengan butiran air dari sprayer dimana aliran butiran air tersebut searah dengan aliran logam cair, sehingga terbentuklah melt droplet (butiran logam cair)
d. Bursting adalah proses terjadinya tumbukan butiran air dengan melt droplet hasil dari proses cratering, splashing atau stripping.
Gambar 2.3. Mekanisme pembentukan serbuk atau partikel yang terjadi dalam atomisasi air (German, R. M., 1984)
Ukuran dan bentuk partikel tergantung dari temperatur logam, kecepatan rata-rata aliran logam, ukuran nozzle dari tundish (tempat menampung dan mengalirkan logam cair), dan karakteristik semprotan air. Aliran logam yang pelan namun konstan kemungkinan akan menghasilkan bentuk yang lebih halus, sedangkan ukuran nozzel tundish berkaitan erat dengan kecepatan aliran logam cair.
Dalam tahap penyelesaian serbuk hasil atomisasi air akan mengalami pengayakan, pemanasan, dan penyimpanan. Pengayakan diperlukan untuk memisahkan serbuk kasar dan serbuk halus atau untuk mendapatkan serbuk dengan ukuran tertentu.
Untuk mengantisipasi terjadinya oksidasi maka dilakukan pemanasan secepat mungkin sehingga kandungan air pada serbuk kecil. Apabila serbuk belum akan dibentuk, lebih baik disimpan dalam temperatur kamar dan tidak terlalu banyak berhubungan dengan udara luar agar kondisinya tetap stabil.
2. Metode Kimia
Prinsip dari metode kimia adalah proses dekomposisi kimia suatu senyawa logam. Reaksi reduksi dan oksidasi logam dengan hidrogen atau karbon monoksida sebagai pereduksi merupakan reaksi dekomposisi yang menghasilkan serbuk logam, menurut reaksi : MeO + H2 ----> Me + H2O (1) MeO + CO ----> Me + CO2 (2). Reaksi (1) biasanya dipakai untuk menghasilkan serbuk Cu dan reaksi (2) digunakan untuk menghasilkan serbuk Fe. Beberapa metode kimia yang digunakan dalam pembuatan serbuk adalah metode elektrolisa, reduksi oksidasi. Produksi serbuk dengan metode elektrolisa ini seperti pada proses refining dari tembaga, pada katoda menggunakan unsur Pb (timah hitam) sedangkan anodanya menggunakan unsur Cu (tembaga), serbuk tembaga yang diperoleh kemudian dicuci dan disaring.
3. Metode Mekanik
Metode ini biasanya digunakan untuk menghasilkan serbuk logam dari logam yang bersifat rapuh dan kekerasannya sedang, pada proses pembuatan serbuk secara mekanik menggunakan suatu alat yang dinamakan ball mill atau roll mill untuk menghancurkan material menjadi serbuk. Secara garis besar proses pembuatan serbuk logam dengan cara ini adalah dengan memasukkan logam yang akan dijadikan serbuk kedalam suatu silinder berongga yang berputar dan didalamnya terdapat bola-bola baja. Bola baja yang ada didalam silinder akan bertumbukan dengan material secara terus menerus sehingga logam atau material yang dimasukkan akan hancur, seperti terlihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Pembuatan serbuk dengan ball mill (German, R. M., 1984) 2.1.2. Sifat Khusus Serbuk Logam
Ukuran partikel, bentuk dan distribusi ukuran serbuk logam, mempengaruhi karakter dan sifat fisis dari benda yang dimampatkan. Serbuk dibuat menurut spsifikasi antara lain bentuk, kehalusan, distribusi ukuran partikel, mampualir (flowability), sifat kimia, mampu tekan (compressibility), berat jenis semu dan sifat- sifat sinter.
1. Bentuk
Bentuk partikel serbuk tergantung pada cara pembuatannya, dapat bulat, tidak teratur, dendritik, pipih atau bersudut tajam.
2. Kehalusan
Kehalusan berkaitan erat dengan ukuran butir dan ditentukan dengan mengayak serbuk dengan ayakan standar atau dengan pengukuran mikroskop. Ayakan standar berukuran mesh 36 – 850 µm digunakan untuk mengecek ukuran dan menentukan distribusi ukuran pertikel dalam daerah tertentu.
3. Sebaran Ukuran Partikel
Dengan sebaran ukuran partikel ditentukan jumlah partikel dari setiap ukuran standar dalam serbuk tersebut. Pengaruh sebaran terhadap mampu alir, berta jenis semu dan porositas produk cukup besar. Sebaran tidak dapat diubah tanpa mempengaruhi ukuran benda tekan.
4. Mampu Alir
Mampu alir merupakan karakteristik yang menggambarkan sifat alir serbuk dan kemampuan memenuhi ruang cetak. Dapat digambarkan sebagai laju alir melalui suatu celah tertentu.
5. Sifat Kimia
Terutama menyangkut kemurnian serbuk, jumlah oksida yang diperbolehkan dan kadar elemen lainnya.
6. Kompresibilitas
Kompresibilitas adalah perbandingan volume serbuk semula dengan volume benda yang ditekan. Nilai ini berbeda-beda dan dipengaruhi oleh distribusi ukuran dan bentuk butir. Kekuatan tekan mentah tergantung pada kompresibilitas.
7. Berat Jenis Curah
Berat jenis curah atau berat jenis serbuk dinyatakan dalam kilogram per meter kubik. Harga ini harus tetap, agar jumlah serbuk yang mengisi cetakan setiap waktunya tetap sama.
8. Kemampuan Sinter
Sinter adalah proses pengikatan partikel melalui proses pemanasan.
2.1.3. Bentuk Partikel Serbuk
Hal penting lainnya didalam karakterisasi serbuk adalah bentuk partikel dari serbuk. Bentuk partikel mempengaruhi sifat massa serbuk, seperti efisiensi pemadatan (packing efficiency), mampu alir (flowability), dan mampu tekan (compressibility). Bentuk partikel juga mempengaruhi besarnya kontak antar partikel sehingga besarnya gaya gesekan antar partikel berhubungan dengan luas permukaan partikel serbuk. Bentuk partikel bisa diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Acicular : berbentuk jarum
2. Angular : berbentuk polihedral kasar dengan tepi tajam 3. Dendritic : berbentuk kristalin dan bercabang
4. Fibrous : berbentuk serabut yang beraturan atau tidak beraturan
5. Flaky : berbentuk serpihan
6. Granular : berbentuk tidak beraturan dan hampir bulat
7. Irregular : berbentuk tidak beraturan atau tidak mempunyai simetri 8. Nodular : berbentuk bulat dan tidak beraturan
9. Spherical : berbentuk bulat
Gambar 2.5. Bentuk Partikel Serbuk (German, 1984)
2.2. Mesin Pencampur
Mesin pencampur merupakan salah satu dari berbagai jenis mesin yang digunakan untuk mencampur berbagai jenis material, penggunaannya di bidang industri maupunpenelitian. Seperti penggunaan mesin pencampur internal atau dua buah rol pada proses pembuatan komposit yang masih bisa menimbulkan resiko degradasi terhadap komposit itu sendiri, namun hal ini dapat diperbaiki dengan dengan melakukan metode melt-mixing pada material.
Kualitas pencampuran jika menggunakan metode yang lama diukur karakteristik fisis campuran seperti densitas, berat rata-rata partikel dan ukuran masing-masing komponen dapat digunakan untuk mengukur seberapa random campuran.yang melakukan simulasi perubahan kualitas campuran selama proses pencampuran menyatakan bahwa pada sistem butiran terlihat jumlah butiran yang paling banyak memperlihatkan kualitas campuran yang kurang baik bila dibandingkan dengan jumlah komponen yang lebih sedikit.
Proses pencampuran dua atau lebih material sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter proses seperti kecepatan pengadukan komposisi maupun temperatur. Kualitas pencampuran jika menggunakan metode yang lama diukur karakteristik fisis campuran seperti densitas, berat rata-rata partikel dan ukuran masing-masing komponen namun beberapa persamaan Poole, Taylor dan Wall dapat digunakan untuk mengukur seberapa random campuran yang melakukan simulasi perubahan kualitas campuran selama proses pengadukan menyatakan bahwa pada sistem butiran terlihat jumlah butiran yang paling banyak memperlihatkan kualitas campuran yang kurang baik bila dibandingkan dengan jumlah komponen yang lebih sedikit. Kecepatan sebagai salah satu parameter pengadukan akan mempengaruhi sifat mekanik material.
Gambar 2.6. Jenis-jenis wadah mesin pencampur (Aulton) 2.2.1. Pencampuran
Pencampuran adalah proses yang menyebabkan tercampurnya bahan ke bahan lain dimana bahan tersebut terpisah dalam fasa yang berbeda. Dalam kimia, suatu pencampuran adalah sebuah zat yang dibuat dengan menggabungkan dua zat atau lebih yang berbeda tanpa reaksi kimia yang terjadi, sementara tidak ada perubahan fisik dalam suatu pencampuran, sifat kimia suatu pencampuran seperti titik lelehnya dapat menyimpangdari komponennya. Pencampuran dapat
dipisahkan menjadi komponen aslinya secara mekanis. Pencampuran dapat bersifat homogen atau heterogen (Wikipedia, 2014).
Tujuan pencampuran adalah untuk melapisi partikel dengan pengikat, untuk memutus aglomerasi, dan untuk mencapai distribusi seragam pengikat dan ukuran partikel seluruh bahan baku. Selanjutnya beberapa komponen dari binder harus tipis dan tersebar diantara partikel. Untuk mendapatkan ini, beberapa pertimbangan harus menjadi hal yang penting. Untuk binder thermoplastic pencampuran dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi/menengah (Hibbeler, R.C, 2005).
Gambar 2.7. Mekanisme pencampuran serbuk yakni difusi (kiri), konveksi (tengah) dan geser(kanan) (German, 1994)
Pencampuran serbuk dapat dilakukan dengan mencampurkan logam yang berbeda dan material-material lain untuk memberikan sifat fisik dan mekanik yang lebih baik (German R.M, 1994). Ada 2 macam pencampuran, yaitu:
1. Wet Mixing, yaitu proses pencampuaran dimana serbuk matrik dan filler dicampur terlebih dahulu dengan pelarut polar. Metode ini dipakai apabila material (matrix dan filler) yang digunakan mudah mengalami oksidasi. Tujuan pemberian pelarut adalah untuk mempermudah proses pencampuaran material yang digunakan dan untuk melapisi permukaan material supaya tidak berhubungan dengan udara luar sehingga mencegah terjadinya oksidasi pada material yang digunakan.
2. Dry Mixing, yaitu proses pencampuran yang dilakukan tanpa menggunakan pelarut untuk membantu melarutkan dan dilakukan di udara luar. Metode ini dipakai apabila material yang digunakan tidak mudah mengalami oksidasi.
Pencampuran dan pengadukan serbuk dilakukan dengan tujuan untuk menghasilkan serbuk yang homogen. Dalam pencampuran dan pengadukan serbuk, variabel yang berpengaruh adalah jenis material serbuk, ukuran partikel, jenis pengaduk, ukuran pengaduk, kecepatan pengadukan dan waktu pengadukan.
Semakin besar kecepatan pencampuran, semakin lama waktu pencampuran, dan semakin kecil ukuran partikel yang dicampur, maka distribusi partikel semakin homogen. Kehomogenan campuran sangat berpengaruh pada proses penekanan (kompaksi), karena gaya tekan yang diberikan pada saat kompaksi akan terdistribusi secara merata sehingga kualitas ikatan antar partikel semakin baik (Toto, 2005).
Mekanisme yang terjadi ketika pencampuran serbuk tergantung metode pencampuran yang digunakan, yaitu:
• Difusi : terjadinya pencampuran karena gerak antar partikel serbuk yang dihasilkan oleh perputaran drum.
• Konveksi : terjadinya pencampuran karena ulir di dalam wadah berputar pada porosnya.
• Geser : terjadinya pencampuran karena menggunakan suatu media pengaduk.
Maka dari itu faktor yang berpengaruh pada proses pencampuran ini adalah kecepatan perputaran, waktu dan juga besarnya wadah yang digunakan. Selain itu pencampuran mempunyai dampak negatif, yaitu:
1. Partikel logam akan lebih sulit dikompaksi
2. Kontaminasi terhadap serbuk mungkin terjadi selama pengadukan dan pencampuran
3. Desain alat pencampur yang buruk dapat mengakibatkan segregasi partikel.
Umumnya proses pencampuran dilakukan di dalam suatu wadah yang berputar. Pada saat pencampuran akan terdapat gaya sentrifugal dan juga turbulensi pada saat wadah diputar. Dan kondisi optimum proses pencampuran adalah saat gaya sentrifugal yang terjadi kecil dan tapi cukup untuk terjadinya turbulensi. Bila gaya sentrifugal terlalu besar maka serbuk dengan berat jenis yang lebih besar akan berada pada bagian luar saja, sedang bila tidak terjadi turbulensi maka pencampuran tidak akan terjadi secara menyeluruh.
Nilai gaya gesek antar partikel serbuk yang rendah, merupakan hal yang menentukan keberhasilan pencampuran dan pengadukan serbuk. Gaya gesek antar partikel serbuk dipengaruhi oleh efisiensi pencampuran, pelumasan, dan pengeringan (David C, 1999).
2.3. Metal Matriks Komposit (MMC)
Pengembangan awal komposit matrik logam (Metal Matrix Composite, MMC) telah dimulai sejak tahun tujuh puluhan. Secara umum, pengembangan teknologi komposit bertujuan untuk meningkatkan efisiensi struktur dan karakterisasi sifat material yang signifikan, seperti untuk aplikasi material yang ringan tetapi sangat kuat (S. Deni, et.all., 2008).
Metal matrix composite mewakili material yang sangat luas termasuk didalamnya adalah metallic foam, cermets, juga partikel-partikel yang bersifat lebih konvensional, dan fiber yang diperkuat metal. Teknik pembuatan metal matrix composite tergantung dari matrix dan penguat yang digunakan, yang diklasifikasikan berdasarkan apakah matrix tersebut berada fasa padat, cair atau gas, ketika akan digabungkan dengan penguatnya.
Komposit matrik logam dapat dibuat dengan metode pengecoran ataupun dengan metode metalurgi serbuk. Namun, untuk metode pengecoran mempunyai kendala yaitu sulit membuat komposit homogen, karena partikel penguat biasanya mengedap atau mengapung yang disebabkan beda berat jenis (Alamsyah F, dkk 2013). Tujuan dibentuknya komposit salah satunya adalah memperbaiki sifat mekanik atau spesifik tertentu(Alamsyah, dkk 2008). Berikut ini adalah tujuan dan dibentuknya komposit yaitu:
1. Memperbaiki sifat mekanik atau sifat spesifik tertentu.
2. Mempermudah desain yang sulit pada manufaktur.
3. Keleluasaan dalam bentuk/desain yang dapat menghemat biaya.
4. Menjadikan bahan lebih ringan.
Berdasarkan bahan matriks yang digunakan, maka komposit dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, yaitu:
a) Komposit matriks logam (Metal Matrix Composite/ MMCs), yaitu mempunyai matriks dari logam (aluminium, magnesium, besi, kobalt, tembaga) dan keramik tersebar (oksida, karbida).
b) Komposit matriks polimer (Polimer Matrix Composite/ PMCs), yaitu jenis komposit dengan matrik dari bahan polimer, termoplastik (PVC, nylon, polysterene) dan kaca tertanam, karbon, baja atau serat kevlar.
c) Komposit matriks keramik (Ceramics Matrix Composite/ CMCs), yaitu komposit dengan matrik dari bahan keramik.
Alasan – alasan mengapa MMC sangatlah menarik perhatian banyak pihak selama hampir 30 tahun (Suarsana ketut, 2015):
1. Pendekatan MMC (metal matrix composite) dalam proses metalurgi adalah jalan untuk memproduksi berbagai macam dari komposit tersebut. Sehingga produk yang akan dihasilkan sangatlah luas (bervariasi). Hanya cara inilah kita dapat menggabungkan alimunium, magnesium, tembaga dengan karbida, oksida atau fasa nitrida.
2. MMC (metal matrix composite) memberikan suatu perubahan yang sangat signifikan terhadap sifat-sifat material, tahan terhadap temperature tinggi, angka kekerasan yang baik, tidak bereaksi terhadap bahan kimia, dan tahan aus.
3. MMC mempunyai modulus elastisitas yang lebih tinggi dari material pada umumnya, metal matrix composite juga dapat mengkombinasikan sifat-sifat material yang diinginkan, seperti konduktifitas thermal yang tinggi digabungkan dengan low thermal expancivity.
4. MMC (Metal Matrix Composite) dikarenakan kelebihannya dalam segi berat dan dalam segi penggunaanya. Kecepatan operasi menggunakan MMC meningkatkan sebanyak 50% pada mesin-mesin dengan kecepatan tinggi.
Sifat-sifat material yang unik dikombinasikan antara ketahanan terhadap fatique, massa yang ringan, kekakuan, sangat tepat digunakan untuk material pembuatan sepeda gunung dan sepeda jalan. Kekakuan meningkat hingga 50%
untuk bahan komposit isotopic.
Adapun kelebihan dan kekurangan Metal Matrix Composite (MMC) adalah:
Kelebihannya:
1. Tranfer tegangan dan regangan yang baik.
2. tidak mudah terbakar.
3. tidak menyerap kelembapan
4. ketahanan terhadap temperatur tinggi 5. Kekuatan tekan dan geser yang baik 6. Ketahanan aus dan proses yang sedikit.
Kekuranagannya:
1. Biaya mahal
2. Standarisasi material danproses yang sedikit
Aplikasi Metal Matrix Composite (MMC) pada kehidupan sehari-hari dan dalam dunia keteknikan,yaitu :
1. Peralatan militer (sudu turbin,cakram,Kompresor,dll) 2. Aircraft (rak listrik pada pesawat terbang)
3. Komponen automotive ( blok silinder mesin, pully, poros garden,dll ) 4. peralatan elektronik.
2.4. Alumunium
Alumunium adalah logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi yang baik dan alumunium juga terkenal sebagai hantaran listrik yang baik. Dengan tahan terhadap korosi sebenarnya alumunium berkarat dengan cepat membentuk alumunium oksida(Al2O3). Karena hal ini disebabkan oleh fenomena pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan alumunium oksida (Al2O3) di permukaan logam alumunium segera setelah logam terpapar oleh udara bebas. Lapisan alumunium oksida dapat mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Alumunium digunakan dalam bidang yang luas bukan saja untuk peralatan rumah tangga tetapi juga dipakai dalam keperluan kontruksi pesawat terbang, mobil dan lain – lain. Untuk mendapatkan peningkatan kekuatan mekanik, biasanya logam alumunium dipadukan dengan unsur Cu, Si, Mg, Ti, Mn, Cr, Ni, dan sebagainya (Suharno,2012).
Aluminium mempunyai sifat-sifat yang sangat baik antara lain : ringan, tahan korosi, penghantar panas dan listrik yang baik. Sifat tahan korosi pada aluminium diperoleh karena terbentuknya lapisan oksid aluminium pada permukaaan aluminium. Lapisan oksid ini melekat pada permukaan dengan kuat dan rapat serta sangat stabil (tidak bereaksi dengan lingkungannya) sehingga melindungi bagian yang lebih dalam. Adanya lapisan oksid ini disatu pihak menyebabkan tahan korosi tetapi di lain pihak menyebabkan aluminium menjadi sukar dilas dan disolder (titik leburnya lebih dari 2000 °C).
Gambar 2.8. Serbuk Alumunium 2.4.1. Sifat Mekanik Alumunium
Sifat alumunium dari bahan murni dan alumunium paduan dipengaruhi oleh konsentrsi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut.
Alumunium dikenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Adapun sifat – sifat Alumunium antar lain sebagai berikut:
a. Ringan
Logam alumunium memiliki bobot sekitar 1/3 dari bobot besi dan baja, atau tembaga logam alumunium banyak digunakan didalam industri, alat berat dan transportasi.
b. Mudah dibentuk
Proses pengerjaan alumunium mudah dibentuk karena disambung dengan logam/material lainya dengan pengelasan, brazing, solder, bonding, sambungan mekanis, atau dengan teknik penyambungan lainya.
c. Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik adalah besar tegangan yang didapatkan ketika dilakukan pengujian tarik. Kekuatan ditunjukkan oleh nilai tertinggi dari tegangan pada kurva tegangan-regangan hasil pengujian, dan biasanya terjadinya nocking.
Kekuatan tarik ukuran dari kekuatan yang sebenarnya dapat terjadi dilapangan, namun dapat dijadikan sebagai suatu acuan terhadap kekuatan bahan. Kekuatan tarik pada alumunium murni pada berbagai perlakuan umumnya sangat rendah, sehingga untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan tarik tinggi.
d. Modulus Elasitas
Alumunium memiliki modulus elasitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan baja maupun besi, tetapi dari sisi strength to weight ratio, alumunium lebih baik, Alumunium yang memiliki titik lebur yang lebih rendah dan kepadatan. Dalam kondisi yang dicairkan dapat diproses dalam berbagai cara.
Hali ini yang memungkinkan produk-produk dari alumunium yang akan dibentuk, pada dasarnya dekat dengan akhir dari desain produk.
e. Recyclability (Mampu untuk didaur ulang)
Daur ulang adalah proses menjadikan suatu bahan bekas menjadi bahan baru dengan tujuan mencegah adanya sampah yang sebenarnya dapat menjadi sesuatu yang berguna, mengurangi penggunaan bahan baku yang baru,mengurangi penggunaan energi, mengurangi polusi, kerusakan lahan, dan emisi gas rumah kaca jika dibandingkan dengan proses pembuatan barang baru.
Alumunium 100% bahan yang didaur ulang tanpa penurunan dari kualitas awalnya , peleburan memerlukan energi, hanya sekitar 5% dari energi yang diperlukan untuk memproduksi logam utama yang pada awalnya diperlukan dalam proses daur ulang.
f. Ductility (Liat)
Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis tanpa terjadinya retakan. Dalam suatu pengujian tarik, ductility ditunjukkan dengan bentuk neckingnya, material dengan ductility yang tinggi akan mengalami necking yang sangat sempit, sedangkan bahan yang memiliki ductility rendah, hampir tidak mengalami necking. Pada logam aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari pada aluminium murni.
g. Kuat
Aluminium memiliki sifat yang kuat terutama bila dipadukan dengan logam lain. Digunakan untuk pembuatan komponen yang memerlukan kekuatan tinggi seperti: pesawat terbang, kapal laut, bejana tekan, komponen mesin dan lain-lain.
h. Reflectivity (Mampu pantul)
Aluminium adalah reflektor yang baik dari cahaya serta panas, dan dengan bobot yang ringan, membuatnya ideal untuk bahan reflektor.
i. Tahan terhadap korosi
Aluminium memiliki sifat durable, sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang dipengaruhi oleh unsur-unsur seperti air, udara, suhu dan unsur-unsur kimia (Alamsyah Faizin, 2013).
Berikut ini merupakan tabel dari sifat fisik aluminium lihat pada tabel 2.1.berikut.
Tabel 2.1. Sifat Fisik Aluminium
Nama, Simbol, dan Nomor Aluminium, Al, 13 Sifat Fisik
Wujud Padat
Massa jenis 2,70 gram/cm3
Massa jenis pada wujud cair 2,375 gram/cm3
Titik lebur 933,47 K, 660,32 oC
Titik didih 2792 K, 2519 oC
Kalor jenis (25 oC) 24,2 J/mol K Resistansi listrik (20 oC) 28.2 nΩ m Konduktivitas termal (300 K) 237 W/m K Pemuaian termal (25 oC) 23.1 µm/m K
Modulus Young 70 Gpa
Modulus geser 26 Gpa
Poisson ratio 0,35
Kekerasan skala Mohs 2,75
2.5. Kompaksi
Kompaksi pada proses metalurgi serbuk yang bertujuan untuk membentuk dan memberikan kekuatan kepada serbuk didalam suatu cetakan, sehingga serbuk (murni, paduan, atau campuran) bisa lebih mudah untuk dilakukan proses berikutnya. Tekanan yang diberikan pada serbuk, perilaku mekanik, dan kecepatan penekanan merupakan parameter proses yang menentukan hasil kepadatan serbuk atau green density. Tekanan kompaksi merupakan tekanan eksternal yang
dibutuhkan untuk membentuk serbuk sehingga memiliki kepadatan yang lebih tinggi.
Proses kompaksi dapat dilakukan melalui penekanan satu arah (single end compaction) atau penekanan dua arah (double end punch) baik secara cold compacting maupun hot pressing. Pada penekanan satu arah, penekan (punch) bagian atas bergerak ke bawah. Sedangkan, pada penekanan dua arah, dua penekan, bagian atas dan bawah bergerak secara bersamaan dengan arah yang berlawanan.
Gambar 2.9. Penekanan satu arah (a) dan penekanan dua arah (b).
Untuk mendapatkan berat jenis bakalan yang homogen maka perbandingan tinggi dan diameter cetakan (L/D) juga perlu diperhatikan. Pada saat proses kompaksi dilakukan serbuk didalam cetakan mengalami beberapa tahapan perilaku (David C, 1999), diantaranya adalah:
1. Penataan ulang partikel serbuk (Rearrangement)
Pada saat mulai penekanan, serbuk mengalami penyesuaian letak pada tempat- tempat yang lebih luas atau dengan kata lain belum ada deformasi pada serbuk tersebut. Pergerakan dan pengaturan kembali partikel-partikel serbuk akibat adanya penekanan yang menyebabkan partikel serbuk tersusun lebih rata.
Penyusunan partikel ini dibatasi oleh adanya gesekan antara partikel itu sendiri, atau antar partikel dengan permukaan cetakan.
2. Deformasi elastis partikel serbuk
Serbuk-serbuk mulai bersentuhan, dan jika penekanan dihentikan, maka serbuk akan kembali kebentuk semula. Hal ini karena respon dari material yang memiliki sifat elastis saat diberikan tekanan dibawah yield stress-nya.
3. Deformasi plastis partikel serbuk
Proses pemadatan (densification) terjadi pada tahap ini selama kompaksi berlangsung. Prinsipnya, semakin tinggi tekanan yang diberikan maka derajat deformasi plastis dan pemadatan akan meningkat. Faktor-faktor yang menentukan deformasi plastis, antara lain kekerasan dan perpindahan tegangan antar partikel yang berdekatan.
4. Penghancuran partikel serbuk
Pada tahap ini serbuk mengalami mechanical interlocking, dan mekanisme ini disebut cold weld yang merupakan ikatan antar dua permukaan butiran logam yang bersih yang ditimbulkan oleh gaya kohesi, tanpa ada peleburan ataupun pengaruh panas. Pada umumnya permukaan serbuk akan teroksidasi, namun dibawah permukaan oksida terdapat permukaan yang bersih. Ketika serbuk mengalami penekanan, serbuk mengalami distribusi berat jenis yang tidak merata, dibagian dekat dengan penekan, berat jenis serbuk lebih besar, sedangkan di bagian tengah berat jenisnya lebih kecil.
Pada proses kompaksi, gaya gesek ruang terjadi antar partikel yang digunakan dan antar partikel komposit dengan dinding cetakan akan mengakibatkan kerapatan pada daerah tepi dan bagian tengan tidak merata. Untuk menghindari terjadinya perbedaan kerapatan, maka pada saat kompaksi digunakan lubricant (pelumas ) yang bertujuan untuk mengurangi gesekan antara partikel dan dinding cetakan. Dalam penggunaan lubricant (pelumas), dipilih bahan pelumas yang tidak reaktif terhadap campuran serbuk dan yang memiliki titik leleh rendah sehingga pada proses sintering tingkat awal lubricant dapat menguap. Terkait dengan pemberian lubricant pada proses kompaksi, maka terdapat 2 metode kompaksi, yaitu :
1. Die-wall compressing: penekanan dengan memberikan lubricant pada dinding cetakan.
2. Internal lubricant compressing: penekanan dengan mencampurkan lubricant pada material yang akan ditekan.
Tekanan yang diberikan pada serbuk, perilaku mekanik, dan kecepatan penekanan merupakan parameter proses yang menentukan hasil kepadatan serbuk atau green density. Tekanan kompaksi merupakan tekanan eksternal yang
dibutuhkan untuk membentuk serbuk sehingga memiliki kepadatan yang lebih tinggi.
Tabel 2.2. Tekanan kompaksi pada berbagai macam serbuk logam (German, 1984)
No Metal Presure (Mpa)
1 Alumunium 70 - 275
2 Brass 400 - 700
3 Bronze 200 - 275
4 Iron 350 - 800
5 Tantalum 70 - 140
6 Tungsten 70 - 140
7 Alumunium Oxide 110 - 140
8 Carbon 140 - 165
9 Cemented Carbides 140 - 400
10 Ferrites 110 - 165
Proses kompaksi dapat dilakukan melalui penekanan satu arah (single end compaction) atau penekanan dua arah (double end punch) baik secara cold compacting maupun hot pressing. Pada penekanan satu arah, penekan (punch) bagian atas bergerak ke bawah. Sedangkan pada penekanan dua arah, dua penekan, bagian atas dan bawah bergerak secara bersamaan dengan arah yang berlawanan.
Ada 2 macam metode kompaksi, yaitu:
1. Cold compressing, yaitu penekanan dengan temperatur kamar. Metode ini dipakai apabila bahan yang digunakan mudah teroksidasi, seperti Al.
2. Hot compressing, yaitu penekanan dengan temperatur diatas temperatur kamar, metode ini dipakai apabila material yang digunakan tidak mudah teroksidasi.
Proses kompaksi juga memberikan kekuatan dan juga sifat mekanis lainnya kepada bakalan yang dihasilkan, dan kekuatan yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh beberapa hal diantaranya adalah (David C, 1999):
1. Ukuran partikel, halusnya partikel serbuk akan memudahkan terjadinya ikatan antar partikel (inter-particle bonding) yang akan meningkatkan green density dan kekuatan bakalan. Sedangkan untuk partikel yang agak kasar akanmempermudah terjadinya mechanical interlocking yang mana juga akan meningkatkan green density dan kekuatan bakalan.
2. Dengan bertambahnya luas permukaan, ketidak teraturan semakin besar, mekanisme mechanical interlocking akan semakin mudah dan kekuatan mekanis akan meningkat.
3. Peningkatkan tekanan kompaksi sampai batas tertentu akan meningkatkan kekuatan mekanis melalui mekanisme pengaturan, penyusunan, deformasi dan perpatahan serbuk.
4. Bersihnya permukaan partikel serbuk dari oksida akan meningkatkan inter- particle bonding sehingga kekuatan mekanik seakan meningkat.
Gambar 2.10. Skema proses kompaksi pada serbuknya (German, 1984) Dalam aplikasinya berat jenis serbuk hasil kompaksi kadang tidak homogen.
Berikut ini merupakan beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi terjadinya ketidak homogenan tersebut, antara lain:
1. Memberi pelumas untuk mengurangi gesekan antar partikel dan gesekan dengan cetakan.
2. Mengatur perbandingan dimensi cetakan antara tinggi dengan lebar rongga cetakan (L/D). Semakin besar (L/D) maka ditribusi akan semakin besar. Oleh karena itu, L/D sebaiknya kecil sehingga distribusi serbuk akan merata / homogen.
3. Meningkatkan rasio penekanan kompaksi agar distribusi serbuk lebih baik.
4. Menggunakan penekanan dua arah agar berat jenis serbuk lebih homogen.
5. Melakukan penekanan secara bertahap dari mulai yang paling rendah kemudian ditingkatkan tekannya secara bertahap sampai titik optimum.
Gambar 2.11. Ketidakhomogenan berat jenis akibat proses kompaksi
2.6. Sintering
Sintering adalah proses pemanasan sampai temperatur tinggi yang menyebabkan bersatunya partikel dan meningkatnya efektivitas reaksi tegangan permukaan. Selama proses ini terbentuk batas-batas butir yang merupakan tahap rekristalisasi dan gas-gas yang ada menguap. Proses sinter serbuk logam pada umumnya dapat digunakan dapur komersial, namun beberapa jenis logam tertentu memerlukan dapur-dapur khusus. Waktu pemanasan berbeda untuk jenis logam yang berlainan dan tidak diperoleh manfaat tambahan dengan diperpanjangnya waktu pemanasan (sinter). Lingkungan sangat berpengaruh karena benda mentah terdiri dari partikel yang kecil yang mempunyai daerah permukaan yang luas, oleh karena itu lingkungan harus terdiri dari gas reduksi atau nitrogen untuk mencegah terbentuknya lapisan oksida pada permukaan selama proses pemanasan. Ada dua jenis dapur yang dipakai, dapur satuan (batch type furnance) dan dapur kontinu.
Selama proses sinter terjadi perubahan dimensi baik berupa pengembangan maupun penyusutan tergantung pada bentuk dan distribusi ukuran partikel serbuk, komposisi serbuk, prosedur sinter dan tekanan pemampatan (Sigit Budihartono, 2012). Ukuran yang tepat diperoleh berdasarkan perhitungan perubahan ukuran pada waktu pembuatan kompak mentah dan proses sinter. Temperatur sinter umumnya berada pada 70 – 90 % dari temperatur cair serbuk utama (German, R.
M., 1984). Proses ini mengakibatkan bersatunya partikel-partikel, sehingga
menyebabkan kepadatannya bertambah. Selama proses ini terdapat beberapa tahapan yang terjadi, yakni:
Gambar 2.12. Tahapan Sintering (Sumber: German 1984)
Pada umumnya, perubahan yang terjadi jika serbuk hasil kompaksi dilakukan sinter adalah sebagai berikut (Klar, Erhard. 1983):
• Partikel mulai berikatan, sehingga akan meningkatkan kekuatan mekanis.
• Jika temperatur sinter ditingkatkan dan waktu sinter diperlama maka kekuatan mekanis akan meningkat secara berkelanjutan.
• Peningkatan temperatur dan waktu sinter akan mengurangi jumlah porositas dan meningkatkan densitas.
• Terjadi pertumbuhan butir sehingga hasil ukuran butir akan lebih besar dari pada ukuran butir sebelum dilakukan sinter.
• Pori akan menjadi lebih halus dan bentuknya menjadi lebih bulat selama proses sinter berlangsung.
• Apabila kondisi atmosfer dapur baik, udara yang terperangkap dalam butir akan keluar dan partikel oksida berkurang.
Ada empat tahapan yang terjadi dalam proses sinter, yaitu: titik kontak (point contact), tahap awal (initial contact), tahap menengah (intermediatecontact) dan tahap akhir (final stage):
1. Titik kontak (point contact)
Pada tahap ini partikel lepas mulai membentuk kontak titik untuk antar partikel lainnya pada orientasi acak.Ikatan yang terjadi masih lemah dan belum terjadi perubahan dimensi bakalan. Semakin tinggi berat jenis maka bidang kontak yang terjadi antar partikel juga semakin banyak sehingga ikatan yang terjadi dalam proses sinter pun semakin besar. Pengotor yang menempel pada batas kontak mengurangi jumlah bidang kontak sehingga kekuatan produk sinter juga menurun.
2. Tahap awal (initial stage)
Pada tahap ini, daerah kontak antar partikel serbuk mulai tumbuh dalam bentuk leher. Pertumbuhan leher antar partikel ini sangat tergantung dengan mekanisme perpindahan massa. Tahap ini berakhir saat resiko ukuran leher X/D mencapai 0,3. Pada tahap ini pori-pori mulai terpisah karena titik kontak membentuk batas butir.Selain itu, pada tahap ini juga terjadi penyusutan (shrinkage), pengurangan luas permukaan, dan pemadatan (densification).
Gambar 2.13. Tahap pertumbuhan leher dengan rasio X/D (German, 1984) 3. Tahap menengah (intermediette stage)
Tahap ini merupakan penentuan terhadap sifat mekanis bakalan sinter. Pada tahap ini terjadi pertumbuhan butir dan struktur pori menjadi halus. Geometri batas butir dan pori yang terjadi pada tahap ini tergantung pada laju sinter. Pada mulanya pori terletak pada bagian batas butir yang memberikan struktur pori. Sedangkan pemadatan (densification) yang terjadi pada tahap ini diikuti oleh difusi volum dan difusi batas butir. Semakin tinggi temperatur dan waktu tahan sinter serta semakin kecil partikel serbuk, maka ikatan dan densifikasi yang terjadi juga semakin tinggi.
Gambar 2.14. Densifikasi pada proses sinter (German, 1994) 4. Tahap akhir (final stage)
Pada tahap ini, prosesnya berjalan lambat.Pori-pori yang bulat menyusut dengan adanya mekanisme difusi bulk. Setelah batas butir meluncur, pori akan
berdifusi kebatas butir hingga mengalami penyusutan, dimana proses ini berlangsung lambat. Dengan pemanasan yang lama, pengurangan ukuran pori akan menyebabkan ukuran pori rata-rata meningkat sedangkan jumlah pori akan berkurang. Jika pori memiliki gas yang terperangkap, maka kelarutan gas dalam matriks akan mempengaruhi laju pengurangan pori.
Gambar 2.15. Pemisahan pori dan pembulatan pori pada tahap akhir sinter : (a) pori pada batas butir, (b) dan (c) pertumbuhan butir, (d) pemisahan pori
Proses sintering dilakukan untuk membentuk ikatan partikel dan susunan struktur yang koheren melalui mekanisme perpindahan massa yang terjadi dalam skala atomik. Ikatan yang terjadi dalam proses sinter akan meningkatkan sifat mekanis seperti kekuatan, kekerasan, dll.
2.7. FlyAsh
Fly ash atau abu terbang merupakan salah satu produk sisa dari proses pembakaran diruang bakar satu pembangkit, fly ash ini biasanya berbentuk partikel- partikel halus yang keberadaanya dapat membahayakan kesehatan manusia jika tidak ditangani dengan benar. Seiring dengan kemajuan teknologi maka saat ini keberadaan dari fly ash tidah hanya sebagai limbah tidak bermanfaat tetapi telah dipergunakan untuk campuran beragam jenis produk seperti semen, bata tahan api dan metal matrix composite (Zulfikar, 2012).
2.7.1. Fly Ash Batubara
Fly Ash disebut juga abu terbang limbah dari hasil pembakaran batu bara pada tungku pembangkit listrik tenaga uap yang berbentuk halus, bundar dan bersifat pozolanic (SNI 03-6414-2002).Abu terbang adalah bagian dari abu bakar
yang berupa bubuk halus dan ringan yang diambil campuran gas tungku pembakaran yang menggunakan bahan batubara. Karena sifatnya yang pozolanic,sehingga abu terbang dapat dimanfaatkan sebagai bahan pengganti sebagian pemakaian semen, baik untuk adukan maupun untuk cmpuran beton.
Keuntungan lain dari abu terbang yang mutunya baik adalah dapat meningkatkan ketahanan/ keawetan beton terhadap ion sulfat dan juga dapat menurunkan panas hidrasi semen. Komponen terbesar yang terkandung dalam fly ash adalah silica (SiO2) alumunia (Al2O3), oksida kalsium (CaO) dan oksida besi (Fe2O3) (Subarmono Jamasri,2013).
2.7.2. Palm Oil Fly Ash (POFA)
POFA merupakan salah satu hasil pembakaran tandanan kosong kelapa sawit diman POFA merupakan limbah dari industry yang tidak mengandung toksik bagi tanah dan organisme. Selain itu POFA dapat menambah kandungan unsur hara dalam tanah yang memperbaiki kualitas tanah dasar kolam perikanan. Kemampuan POFA sebagai bahan dan zat yang dapat digunakan untuk memperbaiki sifat fisik dan kimia tanah karena keunggulan sifat kimiawinya yang kaya akan unsur hara (Alamsyah, 2013).
Selain itu POFA dapat menambah kandungan unsur hara dalam tanah yang memperbaiki kualitas tanah dasar kolam perikanan. Kemampuan POFA sebagai bahan dan zat yang dapat digunakan untuk memperbaiki sifat fisik dan kimia tanah karena keunggulan sifat kimiawinya yang kaya akan unsur hara (Alamsyah F. dkk, 2013). Seiring dengan kemajuan teknologi maka saat ini keberadaan dari fly ash tidah hanya sebagai limbah tidak bermanfaat tetapi telah dipergunakan untuk campuran beragam jenis produk seperti semen, bata tahan api dan metal matrix composite (Zulfikar, 2012).
Hasil proses pembuatan crude palm oil (CPO) maka akan dihasilkan limbah padat diantaranya serabut dan cangkang buah sawit. Limbah berupa cangkak dan serat digunakan sebagai bahan bakar ketel (boiler) untuk menghasilkan energi mekanik dan panas. Cangkang dan serah buah sawit yang sudah terbakar , akan menghasilkan sisa-sisa pembakaran yang nantinya akan menjadi limbah dari boiler atau furnance (tungku pembakaran) berupa abu terbang
(palm Oil Fly Ash). Di bawah ini merupakan diagram alir tentang proses pembentukan palm oil fly ash.
Gambar 2.16. Diagram Alir Palm Oil Fly Ash (POFA)
Cangkang dan serat buah sawit yang sudah terbakar tadi,akan menghasilkan sisa-sisa pembakaran yang nantinya akan menjadi limbah daripada boiler atau furnance (tungku pembakaran) berupa:
1. Abu Terbang (Fly ash) , yakni abu yang berada dibawah tungku tepatnya ditempat pengumpulan abu.
Gambar 2.17. Abu Terbang (Palm Oil Fly Ash) (Daulay R., 2014) 2. Kerak boiler kelapa sawit (Bottom Ash) , yakni kerak yang melekat pada
dinding boiler.
Gambar 2.18. (a) Bottom ash sesudah di grinding, (b) Bottom ash sebelum di grinding (Daulay R., 2014)
Bentuk partikel dan sifat permukaan berbagai macam fly ash diamati dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Gambar di bawah ini menunjukkan mikrografi dari partikel fly ash.
Gambar 2.19. Partikel fly ash (Alamsyah F, dkk, 2013)
Masalah yang kemudian timbul adalah sisa dari pembakaran pada boiler yang berupa abu dengan jumlah yang terus meningkat sepanjang tahun yang sampai sekarang masih belum termanfaatkan. Ternyata limbah abu sawit banyak mengandung unsur silika (SiO2) yang merupakan bahan pozzolanic.
Berdasarkan penelitian yang dilakukan Graille dkk (1985) ternyata limbahabu sawit banyak mengandung unsur silika (SiO2) yang merupakan bahanpozzolanic. Hayward (1995) dalam Utama dan Saputra (2005) menyatakan dalam bahan pozzolan ada dua senyawa utama yang mempunyai peranan penting dalam pembentukan semen yaitu senyawa SiO2 dan Al2O3 yang dimana abu sawit merupakan bahan pozzolanic, yaitu material yang tidak mengikat seperti semen,
