Sidang Tugas Akhir. Sintesis MMCs Cu/Al 2 O 3 Melalui Proses Metalurgi Serbuk dengan Variasi Fraksi Volum Al 2 O 3 dan Temperatur Sintering

Sintesis MMCs Cu/Al₂O₃ Melalui Proses Metalurgi Serbuk dengan Variasi Fraksi

Volum Al₂O₃ dan Temperatur Sintering

Sidang Tugas Akhir

Oleh :

Arfina Fauziati Ruwaida 2706100054

Dosen Pembimbing :

Dr. Widyastuti, S.Si, M.Si Ir. Rochman Rochiem, M.Si

Latar Belakang

Industri

pertahanan 70% Cu-30% Zn

Kelemahan

• Aspek material

Korosi retak regang = porositas sulit dikontrol • Aspek produksi

Cu-Zn ulet = produk mudah terdeformasi

ALTERNATIF komposit Cu/Al_{proses metalurgi serbuk}2O3 dengan

Banyak keunggulan

Cost effective

Kontrol teliti thd komposisi

Memperoleh sifat yang diinginkan Ketahanan aus baik

Toleransi ukuran ketat

Tingkat terjadinya cacat sangat rendah.

Rumusan Masalah

Menghasilkan komposit Cu-Al₂O₃ dengan modulus elastisitas tertinggi?

Fraksi volume

Al₂O₃ (2, 4, 6 dan 8%)

Temperatur sintering (600, 700 dan 800⁰ C)

Batasan Masalah

• Serbuk Cu dan Al₂O₃ dianggap homogen

• Tekanan kompaksi dan waktu tahan sintering konstan.

Tujuan Penelitian

menghasilkan komposit

dengan modulus elastisitas tertinggi Fraksi volume Al₂O₃

(2, 4, 6 dan 8%)

Temperatur sintering (600, 700 dan 8000C)

Manfaat Penelitian

• Menghasilkan material alternatif sebagai bahan kelongsong peluru

• Sebagai referensi penelitian selanjutnya untuk mengembangkan kualitas

komposit Cu/ Al2O3 dengan metode

Road map penelitian

Cu

PROPERTIES OF Cu-Al2O3 POWDER AND COMPACT COMPOSITES OF VARIOUS

STARTING PARTICLE SIZE OBTAINED BY HIGH ENERGY MILLING

(V. Rajković, D. Božić, M. Popović, M. Jovanović) 2009.

SYNTHESIS AND SINTERING OF Cu-Al2O3

NANOCOMPOSITE POWDERS PRODUCED BY A THERMOCHEMICAL ROUTE

(Z. ANĐIĆ, M. KORAĆ, M. TASIĆ1, Ž. KAMBEROVIĆ, K. RAIĆ)

SYNTHESIS OF CU-AL2O3 NANO COMPOSITE POWDER

(D. W. Lee, G. H. Ha and B. K. Kim) 2000

MECHANOCHEMICAL SYNTESIS OF CU- AL₂O₃ NANOCOMPOSITES (Hwang,

Seung. J. dan Lee, J. H)

PENGARUH PERUBAHAN FRAKSI VOLUM ZN DAN WAKTU PADA MECHANICAL ALLOYING TERHADAP PROSES PEMADUAN Cu-Zn

(Rahmatilah Isra) 2010

PENGARUH PERUBAHAN FRAKSI VOLUM ZN DAN KECEPATAN ROTASI TERHADAP EVOLUSI PERUBAHAN MIKROSTRUKTUR PADUAN Cu Zn PADA MECHANICAL ALLOYING

(Hendi Setiawan) 2010

SINTESIS MMCS Cu-AL2O3 MELALUI PROSES METALURGI SERBUK DENGAN VARIASI FRAKSI VOLUME AL2O3 DAN GAYA TEKAN KOMPAKSI SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN KELONGSONG PELURU(Rike Kartika Sari) 2010

SINTESIS MMCS Cu/AL2O3 MELALUI PROSES METALURGI SERBUK DENGAN VARIASI FRAKSI VOLUM AL2O3 DAN TEMPERATUR SINTERING

Jurnal dan penelitian sebelumnya

SINTESIS MMCS Cu-AL2O3 MELALUI PROSES METALURGI SERBUK DENGAN VARIASI FRAKSI VOLUME AL2O3 DAN GAYA TEKAN KOMPAKSI SEBAGAI ALTERNATIF BAHAN KELONGSONG PELURU (Rike Kartika Sari) 2010

•Fraksi Volum 10% Al₂O₃ dan gaya tekan kompaksi F = 20kN

menghasilkan nilai modulus elastisitas paling tinggi yaitu 163900 Mpa.

•Gaya tekan kompaksi F = 20 KN dengan fraksi Volum 10% Al₂O₃ menghasilkan nilai modulus elastisitas paling tinggi

•Fraksi volum penguat 10% Al₂O₃ memperlihatkan distribusi Al₂O₃ yang homogen dalam matrik Cu

•Fraksi volum penguat berbanding terbalik dengan nilai modulus elastisitas dimana semakin tinggi fraksi volum penguat Al₂O₃ nilai modulus elastisitas komposit Cu/ Al₂O₃ semakin menurun

PROPERTIES OF Cu-Al2O3 POWDER AND COMPACT COMPOSITES OF VARIOUS STARTING PARTICLE SIZE OBTAINED BY HIGH ENERGY MILLING

(V. Rajković, D. Božić, M. Popović, M. Jovanović) 2009.

• CuAl 2% ; CuAl2O3 4% ; Cu*Al2O3 4%

• Milling -> treated in hydrogen (at 400C, 1h) -> compaction by argon

atmosphere (at 800 C, 1&5h, F=35 MPa) • Hasil : microhardness

paling rendah = CuAl2O3 4%

SYNTHESIS OF CU-AL2O3 NANO COMPOSITE POWDER (D. W. Lee, G. H. Ha and B. K. Kim) 2000

• Cu-Al₂O₃ nano composite powders were developed by thermo-chemical process

• Preparing Cu-Nitrate (Cu(NO₃)23H₂O) and Al-Nitrate

(Al(NO₃)39H₂O -> spray drying -> heat treatment (850 C, 30min) -> reduction heat treatment (150&2000C, 0.5-1h) ->SEM & XRD • Hasil :

Finally the optimum condition of powder preparation was set as follows: heat treatment of spray-dried powder in air

atmosphere at 850°C for 30 min to prepare oxide powder

consisting of CuO and γAl₂O₃ particles with hydrogen reduction of copper oxide at 200°C for 30 min.

SYNTHESIS AND SINTERING OF Cu-Al2O3 NANOCOMPOSITE POWDERS PRODUCED BY A THERMOCHEMICAL ROUTE

(Z. ANĐID, M. KORAD, M. TASID1, Ž. KAMBEROVID, K. RAID)

Hasil : CuAl2O3 3% CuAl2O3 5%

After characterization of powders : •Compacting pressure of 500 MPa •Sintering 800 and 900o_{C, for 30, 60,}

90 and 120 minutes. •SEM

Result

Average density, ΔV/Vo, specific electric resistance and hardness for sintered samples of Cu-Al₂O₃ with different alumina content.

• At temperatures higher than 900ºC, e.g.

1000ºC sintered plates were distorted with presence of molten phase. Due to small size of Cu-Al₂O₃ nanopowders, their maximum temperature of sintering is 900ºC.

• With Al2O3 content increasing, duration of

the sintering process is increased.

• The sintering temperature increasing, duration of the sintering process is

shortened

• Hardness will increase with Al₂O₃ content increasing, for the same temperature and sintering time.

Komposit

Dua material atau lebih

DISATUKAN

sifat mekanisnya merupakan gabungan dari komponen penyusunnya

Matriks

& Reinforce

• Matriks memiliki karakteristik lunak, ulet, berat persatuan volume yang rendah dengan

modulus elastisitas yang rendah.

• Matriks harus memiliki

kemampuan mengikat dan atau memberikan ikatan antar muka (interface bonding) yang kuat antara matriks dan penguat-nya.

• Penguat berperan sebagai efek penguatan terhadap komposit. • Penguat ini bersifat kurang ulet,

tetapi rigid dan lebih kuat, karena modulus elastisitasnya lebih tinggi daripada matriks.

Cu sebagai matriks ; Al2O3 sebagai reinforce

Propertis Tembaga yaitu: Lambang kimia : Cu Nomor atom : 29

massa atom relatif : 63.546 g/mol Struktur kristal : FCC

Ukuran :  63m Titik lebur : 1084.62 °C tidik didih : 2562 °C Massa Jenis : 8,9 g/cm³ Yield Strength : 50,54 MPa.

Modulus elastisitas : 110.000 Mpa (15 x 106₎

Propertis dari Alumina yaitu: Lambang kimia : Al2O3

Massa Jenis : 3,90 gr/cm³

Modulus elastisitas : 350.000 Mpa (50 x 106 Psi)

Titik lebur : 1700 °C Yield Strength : 70 MPa

Metalurgi Serbuk

• Proses pembentukan logam dengan mixing, kemudian kompaksi serbuk logam dan

dilanjutkan dengan sintering (pemanasan,

sehingga tercipta material yang memiliki sifat kedua penyusunnya).

Kekurangannya

• Sulit mendapatkan produk homogen dengan kepadatan merata

• Dimensi sulit tidak memungkinkan, karena delama penekanan, serbuk logam tidak

mampu mengalir ke ruang cetakan • Kemurnian kurang

• Korosi, serbuk peka terhadap oksidasi, karna memiliki porositas

Mixing

Merupakan tahap pencampuran serbuk 2 proses pencampuran :

a. Pencampuran kering : dilakukan tanpa menggunakan pelarut untuk membantu, dilakukan di udara terbuka

b. Proses basah : digunakan pada bahan (matriks dan filler) yang mudah mengalami oksidasi,

sehingga ditambahkan pelarut polar, agar homogen

Kompaksi

• Memadatkan sebuk menjadi yang diinginkan, agar serbuk menempel satu sama lain

sebelum di tingkatkan ikatannya dgn sintering

Tahap perilaku serbuk :

1. Saat penekanan, serbuk mengalami penyesuaian letak dan belum terjadi deformasi

2. Serbuk mengalami deformasi elastis (jika tekanan di hilangkan maka serbuk masih kembali kebentuk semula). Ikatan ini ditimbulkan

oleh gaya kohesi dari serbuk tanpa pengaruh panas.

3. Serbuk mengalami deformasi plastik, dimana butir akan saling mengunci (mechanical interlocking).

• Terikatnya serbuk terjadi akibat proses kompaksi dengan adanya gaya adhesi - kohesi melalui tiga cara utama, yaitu:

1. Interlocking antar permukaan, yaitu terjadi ikatan akibat kekasaran permukaan serbuk.

2. Gaya elektrostatik, merupakan gaya tarik menarik yang diakibatkan adanya perbedaan muatan pada jarak tertentu.

3. Gaya Van der walls, merupakan ikatan yang terjadi karena adanya fluktuasi dipol antara dua atom yang bermuatan.

Sintering

• Proses pemanasan pada kondisi vakum, sehingga diperoleh partikel- partikel yang bergabung

• Proses sintering didahului dengan presinter dengan pemanasan 1/3 dari titik leleh

TAHAPAN SINTERING

Tahap 1. Necking, Luasan antar muka

meningkat, Densifikasi hingga 60-65%

Tahap 2. porositas menurun, Grain growth terjadi,

Densifikasi hingga 90%

Tahap 3. Mengalami penyusutan, porositas

METODOLOGI PENELITIAN

 Bahan :

• Serbuk Cu • Serbuk Al₂O₃

• Alkohol sebagai pelarut polar • Serbuk zink stearat

 Alat

1. Mortar untuk wadah dalam proses pencampuran 2. Beker glass dan gelas ukur

3. Magnetic stirrer untuk pencampuran serbuk

4. Timbangan digital untuk menimbang massa serbuk 5. Dies berdiameter 14 mm dengan tinggi 14 mm

6. SEM/ EDAX

7. X-Ray diffraction (X-RD) untuk pengujian fasa 8. Alat kompaksi

Diagram Alir

Penelitian

Start

Serbuk Cu

penimbangan fraksi volum penimbangan fraksi volumSerbuk Al203

Pencampuran Basah Cu- Al2O3 + alkohol Vf Al2O32, 4, 6 dan 8 %. Kompaksi Dingin F = 20 KN Sintering Presinter 300o_{C, 1 jam} Sintering 600, 700 dan 800 o_{C selama 6 jam} Pengujian Mikrostruktur ( SEM/EDX) Pengujian Modulus Elastisitas (Uji Tekan) Pengujian Identifikasi Fasa (X-ray Diffraction)

Analisa data dan pembahasan

Kesimpulan

Metode Penelitian

• Preparasi Sampel • Proses Mixing

• Proses Kompaksi • Proses Sintering

Preparasi Sampel

• Chawla, K. Krishan. (1987) menyatakan fraksi volume, fraksi berat, modulus elastisitas

komposit dapat dinyatakan dalam persamaan

• ; c f f f

V

v

m



.



.

m

_m



V

_m

.



_m

.

v

_c

Vm = Fraksi volume matrik

Vf = Fraksi volume pemguat

Vc = Fraksi volume komposit

mf = massa penguat Al2O3 (gr)

mm = massa matrik Cu (gr)