MAKALAH PROSES MANUFAKTUR METALURGI SERBUK
Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Proses Manufaktur Dosen : Rakhmat Himawan, ST., MSc.
Oleh : Puspa Nila Cempaka Ledy (135060701111081)
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2014
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karuniaNya sehingga saya bisa menyelesaikan makalah ini. Makalah ini disusun dalam rangka memenuhi tugas mata kuliah Proses Manufaktur pada Semester Genap Tahun Ajaran 2013/2014. Proses penyusunan makalah ini tidak lepas dari bantuan, bimbingan, masukan, dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini, saya mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah turut membantu dalam penyusunan makalah ini. Saya menyadari sepenuhnya bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati, segala kritik dan saran yang membangun sangat saya harapkan demi menyempurnakan makalah ini. Semoga makalah ini dapat memberikan suatu manfaat bagi pembaca serta dapat memenuhi kriteria tugas sehingga bisa bernilai baik.
Malang, 20 Maret 2014
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman Judul Kata Pengantar Daftar Isi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
……………………………………………………………
4
1.2 Rumusan Masalah
……………………………………………………………
4
1.3 Tujuan Penulisan
……………………………………………………………
4
……………………………………………………………………
5
2.2 Langkah Pembuatan Metalurgi Serbuk …….……………………………………
7
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Metalurgi Serbuk ….……………………………….
13
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Introduction
2.4 Pertimbangan Dalam Desain Metalurgi Serbuk ……..………………………….. 13 Daftar Pustaka
……………………………………………………………………
15
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Perkembangan zaman yang berpengaruh terhadap setiap aspek termasuk teknologi seperti pada bidang industri rupanya semakin memacu industri kecil maupun besar untuk mulai merintis atau bahkan sudah melebarkan sayapnya ke seluruh penjuru di dunia, tak terkecuali di Indonesia. Dalam usahanya, industri kecil maupun besar terus berupaya untuk menciptakan karya – karya baru dengan tingkat kerumitan, biaya, serta daya guna yang bisa jadi semakin melambung dan juga bisa jadi semakin ekonomis. Namun rupanya, pemanfaatan setiap sumber daya yang ada tidak begitu sempurna atau dirasa masih kurang, sehingga banyak logam bekas yang terbuang. Proses metalurgi serbuk relatif lebih baru dan memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan proses pengecoran logam. Namun demikian, proses ini tidak bisa menggantikan sepenuhnya fungsi proses pengecoran karena masing – masing proses tentu memiliki kelebihan dan kekurangan. Kelebihan proses metalurgi serbuk diantaranya adalah efisiensi bahan tinggi, dapat membuat paduan dari bahan yang perbedaan densitas dan temperatur leburnya cukup tinggi, porositas dan homogenitas produk terkontrol, mudah mengatur komposisi paduan. Kekurangan proses metalurgi serbuk diantaranya adalah keterbatasan bentuk dan ukuran benda yang dapat dibuat. Bagaimana mendapatkan serbuk untuk bahan baku merupakan salah satu masalah yang mendasar yang harus dipecahkan. Jika serbuk bahan sudah diperoleh, bagaimana langkah – langkah proses pengerjaannya, berapa tekanan yang harus diberikan agar dapat menghasilkan produk yang cukup kuat, berapa temperatur dan waktu sintering yang harus diberikan agar diperoleh ikatan atom yang dianggap cukup kuat serta bagaimana pertimbangan desain benda kerja yang bisa diproses dengan metalurgi serbuk. Tentu hal – hal tersebut berbeda disetiap bahannya. Pertanyaan – pertanyaan itulah yang kemudian memberikan alasan perlunya pengetahuan mengenai proses metalurgi serbuk.
1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini adalah : 1. Apa yang dimaksud dengan metalurgi serbuk ? 2. Bagaimana langkah – langkah pembuatan metalurgi serbuk ?
3. Apa saja kelebihan dan kekurangan metalurgi serbuk ? 4. Bagaimana pertimbangan dalam desain metalurgi serbuk ?
1.3 Tujuan Penulisan Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui pengertian metalurgi serbuk. 2. Mengetahui langkah – langkah pembuatan metalurgi serbuk. 3. Mengetahui kelebihan dan kekurangan metalurgi serbuk. 4. Mengetahui pertimbangan dalam desain metalurgi serbuk.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Metalurgi Serbuk Proses produksi logam dengan metalurgi serbuk sudah cukup dikenal sekitar abad ke18. Awalnya metalurgi serbuk paling banyak memproduksi sebatas emas dan perak, karena logam ini memiliki sifat komersial yang tinggi dan membutuhkan waktu yang paling lama dalam proses pengerjaannya. Hingga sekitar tahun 1870 ketika mesin pres mulai digunakan, metalurgi serbuk mulai memproses bahan – bahan logam lain. Metalurgi serbuk merupakan proses pembentukan benda kerja komersial dari logam dimana logam dihancurkan dahulu sampai berupa tepung, kemudian ditekan di dalam cetakan (mold) dan dipanaskan dibawah 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. Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk campuran serbuk berbagai logam atau dapat pula terdiri dari campuran bahan bukan logam untuk meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda jadi secara keseluruhan. Kobalt atau jenis logam lainnya diperlukan untuk mengikat partikel tungsten, sedang grafit ditambahkan pada serbuk logam bantalan untuk meningkatkan kualitas bantalan.
Gambar 2.1 Pres Tekan yang digunakan sekitar tahun 1870
2.2 Langkah – langkah pembuatan metalurgi serbuk Langkah-langkah yang harus dilalui pada metalurgi serbuk, antara lain: 1. Persiapan dan Pembuatan Serbuk 2. Pencampuran (mixing) 3. Penekanan (compaction) 4. Pemanasan (sintering)
Gambar 2.2 Skema Proses Metalurgi Serbuk
2.2.1 Persiapan dan Pembuatan Serbuk Persiapan serbuk dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. Serbuk paduan Serbuk yang dihasilkan melalui pencampuran logam murni tidak akan mempunyai sifat yang sama dengan serbuk paduan. Serbuk paduan lebih disukai karena lebih mudah dibuat dan hanya dengan tekanan yang lebih rendah. Serbuk paduan yang dipadu selama proses pencairan menghasilkan sifat produk yang hampir sama dengan paduan padatnya. Serbuk logam paduan bersifat tahan korosi, kekuatan tinggi atau daya tahan terhadap suhu tinggi. 2. Serbuk berlapis Serbuk logam dapat dilapisi dengan unsur tertentu, melalui cara mengalirkan gas pembawa setiap partikel terlarut dengan rata sehingga menghasilkan produk yang bila disinter akan mengikuti karakteristik tertentu dari sifat bahan pelapisnya. Hal ini memungkinkan penggunaan serbuk murah dengan pengikat bahan aktif pada bagian luarnya. Produk yang dibuat dari serbuk berlapis yang telah disinter, jauh lebih homogen daripada produk yang dihasilkan dengan cara pencampuran.
Ada beberapa cara dalam pembuatan serbuk antara lain: 1. Decomposition, terjadi pada material yang berisikan elemen logam. Material akan menguraikan/memisahkan elemen – elemennya jika dipanaskan pada temperatur 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. 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.
2.2.2 Pencampuran (mixing) Pencampuran serbuk dapat dilakukan dengan mencampurkan logam yang berbeda dan material-material lain untuk memberikan sifat fisik dan mekanik yang lebih baik. 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 (matrik 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.
Faktor penentu kehomogenan distribusi partikel, diantaranya adalah kecepatan pencampuran, lamanya waktu pencampuran, ukuran dan jenis partikel, temperatur serta
media pencampuran. 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.
2.2.3 Penekanan (compaction) Kompaksi merupakan proses pemadatan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan sesuai cetakan. Ada 2 macam metode kompaksi, yaitu: 1. Cold compressing, yaitu penekanan dengan temperatur ruang dengan 100-900 Mpa untuk menghasilkan green body. Metode ini dipakai apabila bahan yang digunakan mudah teroksidasi, seperti Al. Proses cold pressing terdiri dari : a. Die Pressing, yaitu penekanan yang dilakukan pada cetakan yang berisi serbuk b. Cold isotactic pressing, yaitu penekanan pada serbuk pada temperature kamar yang memiliki tekanan yang sama dari setiap arah. c. Rolling, yaitu penekanan pada serbuk metal dengan memakai rolling mill.
Gambar 2.3 Die Pressing
2. Hot compressing, yaitu penekanan dengan temperatur di atas temperatur kamar. Metode ini dipakai apabila material yang digunakan tidak mudah teroksidasi.
Penekanan terhadap serbuk dilakukan agar serbuk dapat menempel satu sama lain 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 yang dapat terjadi pada saat 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.
Untuk menghindari terjadinya perbedaan kerapatan, maka pada saat pressing digunakan lubricant/pelumas yang bertujuan untuk mengurangi gesekan antara partikel dan dinding cetakan. Dalam penggunaan lubricant/bahan 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. Tekait 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.
Pada proses kompaksi ada 3 kemungkinan model ikatan yang disebabkan oleh gaya vanderwals: 1. Pola ikatan bola-bola. Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan lebih kecil dari yield strength (ys) matrik dan filler sehingga serbuk tidak mengalami perubahan bentuk secara permanen atau mengalami deformasi elasti baik pada matrik maupun filler sehingga serbuk tetap berbentuk bola. 2. Pola ikatan bola-bidang. Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan diantara yield strength (ys) dari matrik dan filler. Penekanan ini menyebabkan salah satu material (matrik) terdeformasi plastis dan yang lain (filler) terdeformasielastis, sehingga berakibat partikel seolah-olah berbentuk bola-bidang. 3. Pola ikatan bidang-bidang. Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan lebih besar pada dari yield strength (ys) matrik dan filler. Penekanan ini menyebabkan kedua material (matrik dan filler) terdeformasi plastis, sehingga berakibat partikel seolah-olah berbentuk bidang-bidang.
Gambar 2.4 Pressing
2.2.4 Pemanasan (sintering) Pemanasan pada temperatur di bawah titik leleh material komposit disebut dengan sintering. 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 0.7-0.9 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. Parameter sintering meliputi temperatur, waktu, kecepatan pendinginan, kecepatan pemanasan, atmosfer sintering, dan jenis material.
Gambar 2.5 Proses Sintering
Berdasarkan pola ikatan yang terjadi pada proses kompaksi, ada 2 fenomena yang mungkin terjadi pada saat sintering, yaitu: 1. Penyusutan (shrinkage) Apabila pada saat kompaksi terbentuk pola ikatan bola-bidang maka pada proses sintering akan terbentuk shrinkage yang terjadi karena saat proses sintering gas (lubricant) yang berada pada porositas mengalami degassing (peristiwa keluarnya gas pada saat sintering). Dan apabila temperatur sinter terus dinaikkan akan terjadi difusi permukaan antar partikel matrik dan filler yang akhirnya akan terbentuk liquid bridge/necking (mempunyai fasa campuran antara matrik dan filler). Liquid bridge ini akan menutupi porositas sehingga terjadi eleminasi porositas atau berkurangnya jumlah dan ukuran porositas. Penyusutan dominan bila pemadatan belum mencapai kejenuhan.
2. Retak (cracking) Apabila pada kompaksi terbentuk pola ikatan antar partikel berupa bidang – bidang, sehingga menyebabkan adanya trapping gas (gas/lubricant terjebak di dalam material), maka pada saat sintering gas yang terjebak belum sempat keluar tapi liquid bridge telah terjadi, sehingga jalur porositasnya telah tertutup rapat. Gas yang terjebak ini akan mendesak ke segala arah sehingga terjadi bloating (mengembang), sehingga tekanan di porositas lebih tinggi dibanding tekanan di luar. Bila kualitas ikatan permukaan partikel pada bahan komposit tersebut rendah, maka tidak akan mampu menahan tekanan yang lebih besar sehingga menyebabkan retakan (cracking). Keretakan juga dapat diakibatkan dari proses pemadatan yang kurang sempurna, adanya shock termal pada saat pemanasan karena pemuaian dari matrik dan filler yang berbeda.
Proses sintering meliputi 3 tahap mekanisme pemanasan: 1. Presintering merupakan proses pemanasan yang bertujuan untuk: a. Mengurangi residual stress akibat proses kompaksi (green density) b. Pengeluaran gas dari atmosfer atau pelumas padat yang terjebak dalam porositas bahan komposit (degassing) c. Menghindari perubahan temperatur yang terlalu cepat pada saat proses sintering (shock thermal). Temperatur presintering biasanya dilakukan pada 1/3 Tm (titik leleh). 2. Difusi permukaan Pada proses pemanasan untuk terjadinya transportasi massa pada permukaan antar partikel serbuk yang saling berinteraksi, dilakukan pada temperatur sintering (2/3 Tm). Atom-atom pada permukan partikel serbuk saling berdifusi antar permukaan sehingga meningkatkan gaya kohesifitas antar partikel. 3. Eliminasi porositas Tujuan akhir dari proses sintering pada bahan komposit berbasis metalurgi serbuk adalah bahan yang mempunyai kompaktibilitas tinggi. Hal tersebut terjadi akibat adanya difusi antar permukaan partikel serbuk, sehingga menyebabkan terjadinya leher (liquid bridge) antar partikel dan proses akhir dari pemanasan sintering menyebabkan eliminasi porositas (terbentuknya sinter density).
2.2.5 Finishing Pada saat finishing porositas pada fully sintered masih signifikan (4-15%). Untuk meningkatkan properties pada serbuk diperlukan resintering, dan heat treatment. (Hirschhorn, 1969)
2.3 Kelebihan dan Kekurangan Metalurgi Serbuk Keuntungan proses metalurgi serbuk, antara lain: a. Mampu melakukan kontrol kualitas dan kuantitas material b. Mempunyai presisi yang tinggi c. Selama pemrosesan menggunakan suhu yang rendah d. Kecepatan produk tinggi e. Sangat ekonomis karena tidak ada material yang terbuang selama pemrosesan Kekurangan metalurgi serbuk, antara lain: a. Biaya pembuatan yang mahal dan terkadang serbuk sulit penyimpanannya b. Dimensi yang sulit tidak memungkinkan, karena selama penekanan serbuk logam tidak mampu mengalir ke ruang cetakan c. Sulit untuk mendapatkan kepadatan yang merata
2.4 Pertimbangan Dalam Desain Metalurgi Serbuk Meskipun teknologi Metalurgi Serbuk menawarkan kebebasan desain yang cukup besar, ada sejumlah yang hal perlu dilakukan dan tidak boleh dilakukan untuk diingat ketika merancang produk dengan proses dalam pikiran. Hal ini dtunjukkan pada : a. Aspek rasio Rasio aspek ( yaitu panjang terhadap lebar ) - variasi kepadatan yang diciptakan oleh efek gesekan (pergeseran) antara bahan baku bubuk dan perkakas yang dibuat mesin tersebut, juga dengan kompaksi ganda, rasio aspek harus dibatasi tidak lebih dari 3:1 . b. Fitur Peserta Fitur peserta seperti alur , kemiringan terbalik atau lubang lateral, tidak bisa langsung dibentuk oleh metalurgi serbuk karena mereka akan mencegah bagian dari yang dikeluarkan dari cetakan . Jika diperlukan, fitur tersebut harus diperkenalkan dengan mesin dari bagian sinter.
c. Bevels Bevels akan membutuhkan pukulan/hantaman bulu bermata, yang harus dihindari . Jika memungkinkan , tepi miring harus berakhir di sebuah flat kecil , sehingga menghindari tepi bulu. d. Chamfers Chamfers lebih disukai untuk jari-jari pada tepi komponen, sekali lagi untuk menghindari kebutuhan untuk pukulan/hantaman bulu bermata. e. Perubahan mendadak dalam bagian Perubahan mendadak (kasar) dalam bagian harus dihindari karena mereka memberikan penekanan yang dapat menyebabkan retak karena springback di ejeksi. f. Sudut tajam Radius sudut tajam pada bagian pandangan rencana harus dimasukkan, sekali lagi untuk menghindari penekanan.
Gambar 2.6 Desain Metalurgi Serbuk
DAFTAR PUSTAKA
Whittaker, Dr David. 2014. Introduction to Powder Metallurgy. [online] http://www.ipmd.net/Introduction_to_powder_metallurgy [Diakses pada tanggal 18 Maret 2014]
Jurusan Teknik Material dan Metalurgy. 2007. Laporan Tugas Akhir Powder Metallurgy. [online] Availabe at: http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-71972702100009-bab2.pdf [Diakses pada tanggal 18 Maret 2014]
Nayiroh,
Nurul.
2013.
Metalurgi
Serbuk.
[online]
Availabe
at:
http://blog.uin-
malang.ac.id/nurun/files/2013/03/METALURGI-SERBUK.pdf [Diakses pada tanggal 18 Maret 2014]
