Proses metalurgi powder metal

TUGAS BESAR MATERIAL TEKNIK

PROSES METALURGI

SERBUK METAL (POWDER METAL)

Disusun oleh :

Priyangga Arya Sadewa                     112120213

TI-36-06

KATA PENGANTAR

Assalamu'alaikum wr.wb

Segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya kepada kami semua sehingga dapat mengerjakan tugas besar Material Teknik dengan judul Proses Metalurgi Serbuk Metal (Powder Metal) dengan baik dan lancar. Serta kami ucapkan terimakasih kepada orang tua kami yang telah mendukung dalam pengerjaan tugas besar ini, dosen pembimbing kami Bapak Sunaryo yang telah setia memberi bimbingan dan masukan dalam pengerjaan tugas besar.

Kami mengharapkan dengan makalah ini pembaca mampu memahami Proses Metalurgi Serbuk Metal (Powder Metal) dalam kasus setiap hari. Dalam pengerjaan tugas besar ini kami sebagai penulis mempunyai tantangan dan kesulitan tersendiri dalam pengerjaan tugas besar ini. Namun berkat doa dan dukungan dari orang-orang tersayang kami akhirnya tugas besar ini sudah lancar dan baik.penulis menyadari bahwa tugas besar ini tidak luput dari kesalahan maupun kekurangan.

Dengan makalah yang sesingkat dan sejelas ini semoga bermanfaat bagi semua yang membacanya. kami berharap dari pembaca dapat memberikan kritik dan saran kepada kami dalam pengerjaan tugas besar sehingga dapat meningkatkan dalam pengerjaan tugas besar selanjutnya. sebelumnya kami minta maaf kalau ada pemilihan kata-kata tidak sempurna dari kami dan kami juga ucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang telah terlibat dalam pengerjaan tugas besar ini.

Wassalamsalammu'alaikum wr.wb                                       

                                                                                         Bandung, Desember 2013

                                                                          

                                                                                              Priyangga Arya S

BAB I PENDAHULUAN

Serbuk metal saat ini banyak di gunakan di berbagai bahan untuk pembuatan sebuah komponen seperti gera roda, cicin piston,gear, alat bedah dan lain - lain, karena serbuk metal mudah dibentuk maupun dicetak.

Metalurgi serbuk merupakan salah satu teknik produksi dengan menggunakan serbuk sebagai material awal sebelum proses pembentukan. Proses metalurgi serbuk adalah merupakan proses pembuatan produk dengan menggunakan bahan dasar dengan bentuk serbuk yang kemudian di sinter yaitu proses konsolidasi serbuk pada temperatur tinggi yang di dalamnya termasuk juga proses penekanan atau kompaksi. 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). Proses ini pertama digunakan oleh orang Mesir sekitar 3000 SM untuk membuat peralatan besi. Salah satu alat modern pertama yang digunakan adalah pada awal tahun 1900-an untuk membuat kawat pijar tungsten untuk bohlam lampu pijar.

Logam yang paling umum digunakan dalam powder metal adalah besi, alumunium, tembaga, timah, nikel, titanium dan logam tahan panas. Untuk bagian yang dibuat dari kuningan, perunggu, baja dan baja tahan karat, campuran serbuk yang digunakan, dimana masing-masing bagiannya adalah campuran. Sumber logam biasanya dari logam padat dan campuran, bijih, garam dan campuran lainnya.

 Langkah-langkah dasar pada powder metallurgy adalah pembuatan serbuk, mixing, compaction, sintering, finishing.

BAB II ISI

II. 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.

II.1.1. Pembuatan Serbuk

Serbuk untuk produk tertentu harus dipilih dengan teliti agar terjamin sutu proses pembentukan yang ekonomis dan diperoleh sifat-sifat yang diinginkan untuk produk akhirnya. Bila hanya digunakan satu jenis serbuk dengan sebaran ukuran partikel yang tepat, biasanya tidak diperlukan pencampuran lagi sebelum proses penekanan. Kadang-kadang berbagai ukuran partikel serbuk dicampurkan dengan tujuan untuk merubah beberapa karakteristik tertentu seperti yang telah dijelaskan sebelumnya mampu alir dan berat jenis, umumnya serbuk yang ada di pasar mempunyai sebaran ukuran partikel yang memadai. Pencampuran akan sangat penting bila menggunakan campuran serbuk, atau bila ditambahkan serbuk bukan logam.Pencampuran serbuk harus dilakukan di liungkungan tertentu untuk mencegah terjadinya oksida atau kecacatan. Hampir semua jenis serbuk memerlukan pelumas pada proses pembentukan untuk mengurangi gesekan pada dinding cetakan serta untuk memudahkan pengeluaran. Meskipun penambahan pelumas menyebakan peningkatan porositas namun sebenarnya fungsi pelumas dimaksudkan untuk meningjkatkan tingkat produksi tang banyak digunakan pada mesin peres dengahn pengumpan otomatik. Pelumas tersebut antara lain adalah asam stearik, lithium stearat dan serbuk grafit.

Ada beberapa cara dalam pembuatan serbuk antara lain: decomposition, electrolytic deposition, atomization of liquid metals, mechanical processing of solid materials.

a. Decomposition.

Tterjadi 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.

b. 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.

c. 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.

d. 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.

Gambar II.1 : Proses Atomisasi

(a) Water or gas atomization; (b) Centrifugal atomization; (c) Rotating electrode

Proses pembuatan serbuk bisa di kategorikan melalui tiga macam cara yaitu : secara fisik, secara kimiawi, dan secara mekanik. Pembuatan serbuk secara fisik dapat diibaratkan sebagai proses atomisasi yaitu proses perusakan arus logam cair yang disemprot dengan bahan pendingin yang dalam hal ini dapat berupa cairan atau gas sehingga logam cair berubah menjadi tetesan padat yang berbentuk butiran. Sedangkan pembuatan serbuk dengan cara kimia melibatkan banyak reaksi dekomposisi kimia terhadap senyawa logam ini juga termasuk reaksi reduksi didalamnya. Pembuatan serbuk secara mekanik secara umum dapat dilakukan pada logam – logam yang bersifat getas sehingga mudah dihancurkan dengan diberikan gaya tekan dan dijadikan serbuk. 

II.1.2 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 sehingga difusi antar permukaan juga semakin besar dan kompaktibilitas juga tinggi.

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.

5. Kemampuan sinter

Sinter adalah proses pengikatan partikel melalui proses penekanan dengan cara dipanaskan 0.7-0.9 dari titik lelehnya.

II.2 Pencampuran serbuk (Mixing)

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.

Serbuk dari logam yang berbeda dan bahan yang berbeda dapat dicampur dengan tujuan untuk memberikan sifat fisik dan mekanik khusus pada produk. Campuran yang tepat adalah mementingkan  untuk memastikan keseragaman sifat mekanis di seluruh bagian. Bahkan ketika satu logam yang digunakan, serbuk dapat beragam dalam ukuran dan bentuknya, karenan harus dicampur untuk mendapatkan keseragaman dari bagian ke bagian. Campuran serbuk harus berdasarkan keadaan yang dikendalikan dengan tujuan untuk menghindari kontaminasi atau kemerosotan. Kemerosotan disebabkan dengan campuran yang terlalu banyak, yang dapat mengubah bentuk partikel. Serbuk dapat dicampur dalam udara dengan kelembaman atmosfir (untuk menghindari oksidasi), atau dalam cairan.

II.3 Compaction (Powder consolidation)

Compaction adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan.

Tujuan pemadatan adalah untuk mendapatkan bentuk yang diperlukan, densitas dan hubungan partikel ke partikel dan untuk emmbuat bagiannya sangat kuat untuk proses selanjutnya. Serbuk (feedstock) diberikan kedalam cetakan dengan aliran dan diatas penurunan pada cetakan. Tekanan yang digunakan ditekan secara hidraulis atau mekanis, dan proses biasanya dilakukan pada suhu ruang, walaupun dapat dilakukan pada suhu tinggi. Terdapat beberapa metode penekanan, diantaranya, penekanan dingin (cold compaction) dan penekanan panas (hot compaction). Cold compaction yaitu memadatkan serbuk pada tempetatur ruang dengan 100-900 Mpa untuk menghasilkan green body.

Proses cold pressing terdapat beberapa macam antara lain:

1. Die Pressing : penekanan yang dilakukan pada cetakan yang berisi serbuk

2. Cold isotactic pressing : penekanan pada serbuk pada temperature kamar yang memiliki tekanan yang sama dari setiap arah.

3. Rolling : penekanan pada serbuk metal dengan memakai rolling mill.

Gambar 2.2 Pressing

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.

II.4.  Sintering

Sintering adalah salah satu tahapan metodologi yang sangat penting dalam ilmu bahan, terutama untuk bahan keramik. Selama sintering terdapat dua fenomena utama, yaitu pertama adalah penyusutan (shrinkage) yaitu proses eliminasi porositas dan yang kedua adalah pertumbuhan butiran. Fenomena yang pertama dominan selama pemadatan belum mencapai kejenuhan, sedang kedua akan dominan setelah pemadatan mencapai kejenuhan. Parameter sintering diantaranya adalah temperatur, waktu penahanan, kecepatan pendinginan, kecepatan pemanasan dan atmosfir. Sintering biasanya digunakan pada sampel pada temperatur tinggi. Dalam terminologi teknik istilah sintering digunakan untuk menyatakan fenomena yang terjadi pada produk bahan, padat dibuat dari bubuk, baik logam / non logam. Sebuah kumpulan partikel dengan ukuran yang tepat (biasanya diameter beberapa mikro atau lebih kecil) dipanaskan sampai suhu antara ½ dan ¾ titik leleh, ini dalam orde menit selama perlakuan ini partikel-partikel tergabung bersama-sama.

Dari segi cairan, sintering dapat menjadi dua, yaitu sintering fasa padat dan sintering fasa cair. Sintering dengan fasa padat adalah sintering yang dilaksanakan pada suatu temperatur yang telah ditentukan, dimana dalam bahan semuanya tetap dalam fasa padat. Proses penghilagan porositas dilakukan melalui transport massa. Jika dua partikel digabung dan dipanaskan pada suhu tertentu, dua partikel ini akan berikatan bersama-sama dan akan membentuk neck. Pertumbuhan disebabkan oleh transport yang meliputi evaporasi, kondensasi, difusi. 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.

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 kata 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.

Gambar 2.3. Sintering

Sintering berlanjutan, yang digunakan untuk sebagian besar  produksi, memiliki tiga ruang, antara lain :

1. Ruang yang dibakar untuk menguapkan bahan minyak pelumas dengan tujuan untuk    meningkatkan kekuatan ikatan dan mencegah keretakan.

2. Ruang bersuhu tinggi untuk sintering.

3. Ruang pendigin.

Untuk mendapatkan sifat yang optimum, pengendalian yang tepat dari suhu ruang permukaan sesuatu yang penting untuk  keberhasilan sintering. Atmosfir oksigen bebas penting untuk mengendalikan karburisasi dan dekarburisasi dari pemadatan besi dan untuk mencegah oksidasi serbuk. Ruang hampa biasanya digunakan untuk sintering campuran logam dan baja tahan karat. Gas paling umum digunakan untuk sintering hydrogen, dipisahkan atau dibakar ammonia, sebagian gas hidrokarbon dibakar dan nitrogen

Mekanisme sintering adalah kompleks dan tergantung pada komposisi logam partikel sebagaimana parameter pemrosesan. Mekanisme sintering adalah difusi, tahapan transport dan sintering tahapan cairan. Suhu meningkat, dua partikel serbuk berdekatan mulai membentuk ikatan dengan mekanisme difusi hasil dari ini, kekuatan, densitas, daktilitas, konduktivitas listrik dan panas dari pemadatan meningkat. Pada waktu yang sama, pemadatan menyusut. Karenanya kelonggaran harus dibuat untuk penyusutan ketika dilakukan pengecoran

Mekanisme sintering kedua adalah transport tahapan uap air. Karena bahan yang dipanasi sangat dekat dengan suhu pengecoran, atom logam akan melepaskan fase uap dari partikel-partikel. Pada geometri konvergen (interface dari dua partikel), suhu pengecoran lebi tinggi dan tahapan uap air. Karenanya interfas tumbuh dan menguat ketika masing-masing partikel menyusut secara keseluruhan.

II.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).

Dengan tujuan untuk peningkatan sifat dari produk, atau untuk memberikan karakteristik khusus, beberapa pengoperasian tambahan dapat dilakukan setelah proses sintering.

 Bagian logam serbuk dapat ditujukan untuk proses finising seperti di bawah ini :

- Pemrosesan enggan mesin : untuk berbagai sifat geometris dengan penggilingan, pengeboran  dan penyadapan (untuk menghasilkan lubang).

- Penggilingan : Untuk meningkatkan keakuratan dimensi dan permukaan

- Pelapisan : Untuk meningkatkan penampilan dan untuk korosi

- Perlakuan panas : Untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan

BAB III PENUTUP

1.    Proses metalurgi serbuk memiliki banyak keuntungan antara lain :    

2.    Tidak menimbulkan tekstur pada produk. Besar butir mudah dikendalikan

3.    Mudah dalam pembuatan produk beberapa paduan khusus yang susah didapatkan dengan proses pengecoran (casting).

4.    Porositas produk mudah dikontrol

5.    Cocok untuk digunakan pada material dengan kemurnian tinggi.

6.    Cocok untuk pembuatan material komposit dengan matriks logam.

7.    Menghasilkan produk yang baik dan lebih ekonomis karena tidak ada material yang terbuang selama proses.

8.    Porositas produk dapat dikendalikan dan diatur.

9.    Serbuk yang murni akan menghasilkan produk yang murni dan   Dapat menghasilkan produk dengan bahan yang berbeda.

DAFTAR PUSTAKA

http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-7197-2702100009-bab2.pdf

http://shafwandi08.blogspot.com/2011/02/metalurgi-serbuk.html

http://harumdjaya.blogspot.com/2010/06/processing-of-powder-metals-pemprosesan.html

http://www.google.com/imgres?client=opera&hs=9KO&sa=X&tbm=isch&tbnid=tBF5rPItwYz_HM:&imgrefurl=http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php%3Fid%3Ddie_pressing_of_metallic_powders&docid=t-Fk7KiCzBq2lM&imgurl=http://www.substech.com/dokuwiki/lib/exe/fetch.php%253Fw%253D%2526h%253D%2526cache%253Dcache%2526media%253Dpowder_pressing.png&w=549&h=725&ei=gLCqUp3tA86YlQWojYGoBA&zoom=1&ved=1t:3588,r:0,s:0,i:81&iact=rc&page=1&tbnh=181&tbnw=137&start=0&ndsp=12&tx=53&ty=57