BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Metalurgi Serbuk (Powder Metallurgy) Metalurgi serbuk merupakan proses pembentukan benda kerja komersial dari logam dimana logam dihancurkan dahulu berupa tepung, kemudian tepung tersebut ditekan di dalam cetakan (mold) dan dipanaskan di bawah temperatur leleh serbuk sehingga terbentuk benda kerja. Sehingga partikel-partikel logam memadu karena mekanisme transportasi massa akibat difusi atom antar permukaan partikel. Metode metalurgi serbuk memberikan kontrol yang teliti terhadap komposisi dan penggunaan campuran yang tidak dapat difabrikasi dengan proses lain. Sebagai ukuran ditentukan oleh cetakan dan penyelesaian akhir (finishing touch). Langkah-langkah dasar pada powder metallurgy: 1. Pembuatan Serbuk. 2. Mixing. 3. Compaction. 4. Sintering. 5. Finishing. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 5

2 Gambar 2.1: Langkah-langkah dasar powder metallurgy Pembuatan serbuk Ada beberapa cara dalam pembuatan serbuk antara lain: decomposition, electrolytic deposition, atomization of liquid metals, mechanical processing of solid materials. 1. Decomposition, terjadi pada material yang berisikan elemen logam. Material akan menguraikan/memisahkan elemen-elemennya jika dipanaskan pada temperature yang cukup tinggi. Proses ini melibatkan dua reaktan, yaitu senyawa metal dan reducing agent. Kedua reaktan mungkin berwujud solid, liquid, atau gas. 2. Atomization of Liquid Metals, material cair dapat dijadikan powder (serbuk) dengan cara menuangkan material cair dilewatan pada nozzel yang dialiri air bertekanan, sehingga terbentuk butiran kecil-kecil. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 6

3 3. Electrolytic Deposition, pembuatan serbuk dengan cara proses elektrolisis yang biasanya menghasilkan serbuk yang sangat reaktif dan brittle. Untuk itu material hasil electrolytic deposition perlu diberikan perlakuan annealing khusus. Bentuk butiran yang dihasilkan oleh electolitic deposits berbentuk dendritik. 4. Mechanical Processing of Solid Materials, pembuatan serbuk dengan cara menghancurkan material dengan ball milling. Material yang dibuat dengan mechanical processing harus material yang mudah retak seperti logam murni, bismuth, antimony, paduan logam yang relative keras dan britlle, dan keramik. Dari sekian proses pembuatan serbuk, proses yang banyak dipakai adalah proses atomisasi. (a) (b) (c) Gambar 2.2 : Proses Atomisasi (a) Water or gas atomization; (b) Centrifugal atomization; (c) Rotating electrode Sifat-Sifat Khusus Serbuk Logam 1. Ukuran Partikel Metoda untuk menentukan ukuran partikel antara lain dengan pengayakan atau pengukuran mikroskopik. Kehalusan berkaitan erat dengan ukuran butir, faktor ini berhubungan dengan luas kontak antar permukaan, butir kecil mempunyai porositas yang kecil dan luas kotak antar permukaan besar Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 7

4 sehingga difusi antar permukaan juga semakin besar dan kompaktibilitas juga tinggi. Tabel 2.1 Standart ukuran butir 2. Distribusi Ukuran Dan Mampu Alir Dengan distribusi ukuran partikel ditentukan jumlah partikel dari ukuran standar dalam serbuk tersebut. Pengaruh distribusi terhadap mampu alir dan porositas produk cukup besar Mampu alir merupakan karakteristik yang menggambarkan alir serbuk dan kemampuan memenuhi ruang cetak. 3. Sifat Kimia Terutama menyangkut kemurnian serbuk, jumlah oksida yang diperbolehkan dan kadar elemen lainnya. Pada metalurgi serbuk diharapkan tidak terjadi reaksi kimia antara matrik dan penguat. 4. Kompresibilitas Kompresibilitas adalah perbandingan volum serbuk dengan volum benda yang ditekan. Nilai ini berbeda-beda dan dipengaruhi oleh distribusi ukuran dan bentuk butir, kekuatan tekan tergantung pada kompresibilitas. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 8

5 5. Kemampuan sinter Sinter adalah proses pengikatan partikel melalui proses penekanan dengan cara dipanaskan dari titik lelehnya. Gambar 2.3 : Karakterisasi bentuk sistem partikel sederhana Mixing (Pencampuran serbuk) Pencampuran serbuk dapat dilakukan dengan mencampurkan logam yang berbeda dan material-material lain untuk memberikan sifat fisik dan mekanik yang lebih baik. Pencampuran dapat dilakukan dengan proses kering (dry mixing) dan proses basah (wet mixing). Pelumas (lubricant) mungkin ditambahkan untuk meningkatkan sifat powders flow. Binders ditambahkan untuk meningkatkan green strenghtnya seperti wax atau polimer termoplastik Compaction (Powder consolidation) Compaction adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan. Terdapat beberapa Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 9

6 metode penekanan, diantaranya, penekanan dingin (cold compaction) dan penekanan panas (hot compaction). Cold compaction yaitu memadatkan serbuk pada tempetatur ruang dengan Mpa untuk menghasilkan green body. Proses cold pressing terdapat beberapa macam antara lain: 1. Die Pressing, yaitu penekanan yang dilakukan pada cetakan yang berisi serbuk 2. Cold isotactic pressing, yaitu penekanan pada serbuk pada temperature kamar yang memiliki tekanan yang sama dari setiap arah. 3. Rolling, yaitu penekanan pada serbuk metal dengan memakai rolling mill. Gambar 2.4: Die Pressing Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 10

7 Penekanan terhadap serbuk dilakukan agar serbuk dapat menempel satu dengan lainnya sebelum ditingkatkan ikatannya dengan proses sintering. Dalam proses pembuatan suatu paduan dengan metode metalurgi serbuk, terikatnya serbuk sebagai akibat adanya interlocking antar permukaan, interaksi adesi-kohesi, dan difusi antar permukaan. Untuk yang terakhir ini (difusi) dapat terjadi pada saat dilakukan proses sintering. Bentuk benda yang dikeluarkan dari pressing disebut bahan kompak mentah, telah menyerupai produk akhir, akan tetapi kekuatannya masih rendah. Kekuatan akhir bahan diperoleh setelah proses sintering Sintering Pemanasan kompak mentah sampai temperatur tinggi disebut sinter. Pada proses sinter, benda padat terjadi karena terbentuk ikatan-ikatan. Panas menyebabkan bersatunya partikel dan efektivitas reaksi tegangan permukaan meningkat. Dengan perkataan lain, proses sinter menyebabkan bersatunya partikel sedemikian rupa sehingga kepadatan bertambah. Selama proses ini terbentuklah batas-batas butir, yang merupakan tahap rekristalisasi. Disamping itu gas yang ada menguap. Temperatur sinter umumnya berada pada dari temperatur cair serbuk utama. Waktu pemanasan berbeda untuk jenis logam berlainan dan tidak diperoleh manfaat tambahan dengan diperpanjangnya waktu pemanasan. Lingkungan sangat berpengaruh karena bahan mentah terdiri dari partikel kecil yang mempunyai daerah permukaan yang luas. Oleh karena itu lingkungan harus terdiri dari gas reduksi atau nitrogen untuk mencegah terbantuknya lapisan oksida pada permukaan selama proses sinter. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 11

8 Gambar 2.5: Proses Sintering Penyusutan (shrinkage) selalu terjadi selama proses sintering, rumusnya sebagai berikut: V Vol _ shrinkage Linear _ shrinkage sintered gre en V green sintered 1/ 3 green sintered... (2.1)... (2.2) Finishing Pada saat finishing porositas pada fully sintered masih signifikan (4-15%). Untuk meningkatkan properties pada serbuk diperlukan resintering, dan heat treatment. (Hirschhorn, 1969) 2.2 Serbuk Nikel (Nickel Powder) Nikel ( 28 Ni ) adalah unsur logam dengan nomor atom 28 yang terdapat di bumi dalam bentuk bersama dengan unsur-unsur lain. Nikel sering ditemukan di alam bersama denga unsur besi ( 26 Fe ) dan Cobalt ( 27 Co ) karena berada dalam satu golongan dan satu periode dalam susunan periode unsur kimia, yaitu golongan VIII dan periode 4. Nikel murni merupakan logam yang berkilauan dengan ciri-ciri yang menarik antara lain: 1. Dapat dibentuk ( Malleability ). 2. Dapat dibentuk menjadi kawat. 3. Daya rentangnya tinggi (tensile strength) 4. Tahan karat (Rust Proof) Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 12

9 Adapun spesifikasi dari logam Nikel adalah sebagai berikut : Nama : Nikel Rumus Atom : Ni BA : 58,69 Spasific grafity : 8,90 (pada 20 o C) Melting Point : C Bentuk : Padatan metal Warna : Silver, metalik Boiling Point : C Kegunaan logam nikel antara lain : Pembuatan stainless steel, sering disebut baja putih yaitu : suatu panduan nikel dan besi dengan unsur kimia lainnya. Pembuatan logam campuran (alloy) untuk mendapatkan sifat tertentu. Untuk pelapisan logam lain (nikel Plating). Bahan untuk industri kimia (sebagai katalis) untuk pemurnian minyak. Elektrik heating unit, dipakai pada unit pemanas listrik. Bahan untuk industri peralatan rumah tangga. Tahap-tahap utama dalam proses pengolahan adalah sebagai berikut : Pengeringan di Tanur Pengering. Bertujuan untuk menurunkan kadar air bijih laterit yang dipasok dari bagian tambang dan memisahkan bijih yang berukuran +25 mm dan 25 mm. Kalsinasi dan Reduksi di Tanur Pereduksi. Untuk menghilangkan kandungan air di dalam bijih, mereduksi sebagian nikel oksida menjadi nikel logam, dan sulfidasi. Peleburan di Tanur Listrik. Untuk melebur kalsin hasil kalsinasi/reduksi sehingga terbentuk fasa lelehan matte dan terak. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 13

10 Pengkayaan di Tanur Pemurni. Untuk menaikkan kadar Ni di dalam matte dari sekitar 27 persen menjadi di atas 75 persen. Granulasi dan Pengemasan. Untuk mengubah bentuk matte dari logam cair menjadi butiran-butiran dengan ukuran +10 mesh sebanyak 0%, +20 mesh sebanyak <10%, -100 mesh sebanyak <20%. (PT. INCO, Tbk) Gambar 2.6: Proses Pengolahan Nikel Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 14

11 2.3 Material Magnetik Material magnetik merupakan suatu material yang dapat menimbulkan gaya menarik material lain. Magnet terbaik umumnya mengandung besi metalik. Namun ternyata bahwa unsur lain pun menampilkan sifat magnetik. Dalam teknologi modern kini digunakan magnet logam maupun magnet keramik. Selain itu dimanfaatkan pula unsur lain untuk meningkatkan kemampuan magnetik sehingga memenuhi persyaratan Histerisis magnet Magnet biasanya dibagi atas dua kelompok: magnet lunak dan magnet keras. Magnet keras dapat menarik bahan lain yang bersifat magnet. Selain itu sifat kemagnetannya dapat dianggap cukup kekal. Magnet lunak dapat bersifat magntik dan dapat menarik magnet lainnya; namun, hanya memiliki sifat magnet bila berada dalam medan magnet, kemagnetannya tidak kekal. Perbedaan antara magnet permanent atau magnet keras dan magnet lunak dapat dilakukan dengan menggunakan lopp histerisis Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 15

12 Gambar 2.7: Kurva Histerisis Magnet H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam spesimen tersisa magnetisme residual B r, yang disebut residual remanen, dan diperlukan medan magnet H c yang disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami demagnetisasi, seperti tampak pada gambar 2.7. Nilai H yang rendah sudah memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam, dan diperlukan medan H c yang kecil untuk menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagnetisasi dan sulit di-demagnetisasi. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 16

13 2.3.2 Momen magnetik Akan diperoleh pengertian yang lebih baik mengenai karakteristik magnetik dengan menelaah struktur intern bahan. Tiap elektron atom memiliki momen magnetik, ρ m, yang disebut spin elektron oleh ahli fisika. Momen magnetik, disebut magneton bohr, dan sama dengan 9.27 x A.m 2. Elektron biasanya berpasangan dalam orbit dan membentuk spin atas dan bawah. Jadi, efek luar dari momen tersebut tidak ada. Atom akan bersifat magnet bila ada ketidakseimbangan dalam spin elektron. Oleh karena itu sekitar separuh elemen yang memiliki karakteristik magnetik, tidak 50% dari elemen mempunyai jumlah elektron valensi yang genap. Sama halnya dengan ion, kerena kebanyakan ion melepaskan atau menerima elektron untuk mengisi kulitnya dengan delapan elektron. Akhirnya, ikatan kovalen selalu mempunyai pasangan elektron (dengan spin berlawanan). Akibatnya, hanya beberapa atom memiliki spin elektron yang tidak seimbang, dan dengan demikian memiliki momen magnetik. Elemen yang memenuhi persyaratan adalah unsur transisi dengan kulit subvalensi yang tak terisi (Tabel 2.2). termasuk kelompok ini adalah besi, kobalt, dan nikel dan logam tanah-langkah seperti gondolium (dengan kulit 4-f yang tak terisi) dengan sifat magnet yang kuat. Tabel 2.2: Distribusi Momen Magnetik dan Elektron Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 17

14 2.3.3 Domain Tiap atom besi mempunyai empat magneton bohr, 2,2β. Ini berarti, bahwa ada ketidakserasian sebanyak 2,2 spin tiap atomnya (Tabel 2.2). Pada temperatur tinggi, agitasi termal mencegah terbentuknya kopel magnet di antara atom. Karena tiap magnet atom bekerja sendiri-sendiri, jumlah momen magnet per satuan volume (=Σρ m /V, disebut magnetisasi, M) adalah nol. Bahkan disebut paramagnetic, yaitu tidak ada pengaruh magnetik yang saling memperkuat di antara atom-atom. Bahkan tidak ada daya tarik magnetik. Pada temperatur ruang, momen magnet dari atom besi yang berdekatan bergabung. Orientasi yang terkoordinir yang terjadi menghasilkan magnetisasi. Daerah kristal yang memiliki orientasi magnetik yang sama disebut domain. Suatu butir kristal mengandung sejumlah domain dan setiap bagian dari kristal mempunyai orientasi yang berbeda. Domain, dengan orientasi yang berbeda saling meniadakan magnetisasinya. Jadi, bila volume domain dalam jumlah sama bersearah dengan berbagai arah kristal tidak akan terjadi magnetisasi. Hal ini terjadi bila bahan magnetik didinginkan dari temperatur paramagnetik (diatas Temperature Curie, T c ) hingga rentang temperatur magnetik (di bawah T c ) tanpa pengaruh medan magnet luar. (Djaprie, 1985) Gambar 2.8: Struktur domain sederhana dalam material feromagnetik. Tanda panah menunjukkan arah magnetisasi dalam domain Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 18

15 2.3.4 Paduan Magnetik Kerja yang dilakukan untuk memindahkan batas domain bergantung pada energi batas, yang bergantung pula pada anisotropi magnetik. Mudahnya magnetisasi juga bergantung pada keadaan regangan internal dalam material dan keberadaan pengotor. Dua faktor terakhir ini mempengaruhi kekerasan magnetik melalui gejala penyusutan-magnet (magnetostriction), yaitu konstanta kisi mengalami perubahan sedikit akibat magnetisasi dari domain. Material dengan tegangan dalam sukar dimagnetisasi atau didemagnetisasi, sedangkan material bebas tegangan bersifat magnetisasi lunak. Oleh karena tegangan dalam juga mempengaruhi kekerasan mekanik, prinsip yang mendasari desain paduan magnetik adalah membuat material magnetik permanent yang juga keras secara mekanik dan magnet lunak yang secara mekanik juga selunak mungkin. Material yang secara magnetis lunak digunakan sebagai laminasi transformator dan jangkar magnet yang memerlukan permeabilitas tinggi dan histerisis rendah; besi-silikon atau paduan besi-nikel umum digunakan untuk keperluan ini. Pada pengembangan material magnet lunak ditemukan bahwa elemen yang membentuk larutan padat interstisi dengan besi adalah elemen yang memperlebar loop histerisis dengan sangat baik. Dengan alasan ini, maka pengotor seperti ini dikeluarkan dari besi transformator melalui peleburan vakum atau anil hydrogen. Namun demikian, proses ini mahal sehingga kerapkali digunakan paduan untuk magnet lunak, khususnya besi-silikon dan paduan besi-nikel. Seri besi-nikel, Permalloys, adalah paduan yang sangat menarik dan terutama digunakan dalam rekayasa komunikasi di mana disyaratkan kondisi permeabilitas tinggi. Paduan dengan rentang kandungan nikel 40-55% mempunyai karakteristik permeabilitas tinggi pada kekuatan medan rendah dan mencapai nilai dibanding dengan 500 untuk besi anil. Paduan 50%, Hypernik, mempunyai permeabilitas mencapai nilai , tetapi nilai awal tertinggi dan permeabilitas maksimum dijumpai pada Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 19

16 rentang komposisi superkisi FeNi 3, asalkan gejala penataan ditiadakan. Perkembangan menarik di bidang ini adalah perlakuan panas paduan dalam medan magnet kuat. Dengan perlakuan ini permeabilitas Permalloy 65 meningkat hingga sekitar Efek ini diperkirakan terjadi karena pada saat pengarahan domain, terjadi deformasi plastis dan pelepasan regangan magnetostriktif. (Smallman, 1999) 2.4 Pengujian Kekerasan Vickers Prinsip dasar pengujian ini sama dengan pengujian brinell, hanya saja di sini digunakan indentor intan yang berbentuk pyramid beralas bujur sangkar dan sudut puncak antara dua sisi berhadapan 136 o. Tekannya tentu akan berbentuk bujur sangkar, dan yang diukur adalah panjang kedua diagonalnya lalu diambil rata-ratanya. Angka kekerasan Vickers dihitung dengan: HV = d F... (2.3) Dimana: HV = angka kekerasan Vickers (kgf/mm 2 ) F = beban yang diberikan (kgf) d = diagonal identasi (mm 2 ) Hasil pengujian kekerasan Vickers ini tidak tergantung pada besarnya gaya tekan (tidak seperti Brinell), dengan gaya tekan yang berbeda akan menunjukan hasil yang sama untuk bahan yang sama. Dengan demikian juga Vickers dapat mengukur kekerasan bahan mulai dari yang sangat lunak (5 HV) sampai yang amat keras (1500 HV) tanpa mengganti gaya tekan. Besarnya gaya tekan yang digunakan dapat dipilih antara 1 sampai dengan 120 kg, tergantung pada kekerasan/ketebalan bahan yang diuji agar diperoleh tapak tekan yang mudah diukur dan tidak ada anvil effect (pada benda yang tipis). (Suherman, 1987) Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 20

17 2.5 Karakterisasi Material Difraksi sinar-x Analisa dengan difraksi sinar-x merupakan salah satu metode terpenting dalam mengidentifikasi padatan, khususnya padatan kristal. Dasar penggunaan dalam penelitian kristal adalah adanya susunan yang sistematis dari atom-atom yang menyusun padatan kristal atau ion-ion dalam bidang kristal dalam setiap spesies kristal dicirikan oleh susunan atom yang spesifik yang menciptakan suatu bidang atom sebagai penciri yang dapat memantulkan sinar-x. Sinar-x ini merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang pendek, sesuai dengan jarak atom ataupun bidang kristal. Pada tahun 1972, Laue adalah orang pertama yang menunjukkan bahwa sinar x dapat dipantulkan oleh atom-atom dalam bidang kristal yang menghasilkan pola-pola khas pada hasil rekaman. Pola-pola difraksi inilah yang digunakan sebagai sidik jari dalam identifikasi kristal (Day,1990). Sinar-x ditimbulkan jika elektron berenergi tinggi mengenai logam target (besi, tembaga dan lain-lain). Gelombang sinar-x memiliki spektrum yang terbagi menjadi 2 bagian, yaitu pita yang lebar untuk radiasi kontinu serta garis khas (K dan K ) komponen K 1 dan K 2 dipisahkan oleh jarak panjang gelombang yang sangat kecil. Garis K dan K seperti dipisahkan dengan filter penyearah yang terbuat dari logam seperti zircon, nikel atau mangan. Jumlah radiasi sinar-x yang diserap oleh cuplikan ditentukan oleh koefisien absorsi zat sesuai panjang gelombang sinar. Apabila sinar monokromatik mengenai cuplikan, ada dua hal yang terjadi : a. Bila cuplikan memiliki struktur didaerah sekitar kristak maka sinar x akan terhambur secara koheren, proses ini dikenal sebagai efek difraksi sinar-x dan diukur secara difraksi sinar sudut lebar. Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 21

18 b. Bila cuplikan memiliki struktur denagn daerah kristal dan amorf maka sinar 2 akan terhambur secara tidak konkeren (hamburan compton).proses ini terjadi dengan perubahan panjang gelombang dan fase ini dikenal sebagai hamburan sinar sudut sempit. Permukaan suatu kristal dianggap suatu bidang yang melalui permukaan atom dan oleh Miller diindekskan dengan simbol d hkl. Melalui difraksi sinar x bidang kristal seperti diketahui melalui persamaan bias : n = 2d hkl sin... (2.4) Dimana: n = orde = panjang gelombang d = jarak bidang antar kristal hkl Gambar 2.9: Berkas sinar-x pada Bidang kristal. Dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa panjang lintasan DEF lebih besar daripada sinar ABC. Difraksi bidang- atom berjarak sama yang berturut-turut akan bidang menghasilkan difraksi maksimum Mikroskop optik Mikroskop berasal dari bahasa yunani yaitu micron dan scopos. Mikroskop adalah instrumen untuk mengamati objek yang kecil dan tidak bias diamati dengan mata telanjang tanpa alat bantu. Mikroskopi adalah ilmu tentang pengamatan objek kecil menggunakan instrumen. Mikrografi adalah gambar hasil Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 22

19 pengamatan mikroskop. Bentuk sederhana dari mikroskop adalah mikroskop optik yaitu instrumen optik yang terdiri dari satu lensa atau lebih yang menghasilkan gambar dengan pembesaran puluhan atau ratusan kali. Mikroskop sistem optik objektif dibedakan berdasarkan pada panjang fokus, numerical aperture, kemampuan pembesaran lensa. Pembesaran mikroskop dirumuskan dengan D. M 1 2 M M... (2.5) 250 dimana M 1 : Pembesaran objektif, M2 : Pembesaran okuler, D: jarak proyeksi. Resolusi =... (2.6) NA dimana λ : Panjang gelombang iluminasi NA : Numerical Aperture objektif. (Hariyati, 2006) Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 23

20 (halaman ini sengaja dikosongkan) Jurusan Teknik Material dan Metalurgi 24