BAB VIIMETALURGI SERBUK (POWDER METALLURGY) Tujuan Pembelajaran Umum Mengetahui proses proses produksi menggunakan teknologi P/M.Tujuan Pembelajaran Khusus 4. Menjelaskan dasar proses pembentukan dengan metoda P/M 5. Menjelaskan proses fabrikasi dan pencampuran P/M. 6. Menjelaskan pencetakan. 7. Menjelaskan dasar dan proses sinter. 7.1 Dasar Dasar P/M Metalurgi serbuk dalam bahasa Inggris disebut dengan Powder Metallurgy (P/M) adalah proses pembuatan komponen dengan bahan dasar serbuk logam atau campuran bahan logam. Prose produksi dimulai dengan proses kompaksi dan menghasilkan green compact dan selanjutnya diikuti dengan proses pemanasan (sintering) terhadap green compact tersebut. Contoh produk yang dapat diproduksi dengan metoda ini antara lain roda gigi, Proses metalurgi serbuk memiliki berbagai keuntungan antara lain: 1. Menghasilkan produk yang baik dan lebih ekonomis karena tidak ada material atau bahan yang terbuang selama proses. 2. Porositas produk dapat dikendalikan. 3. Proses ini dapat menghasilkan komponen kecil dengan toleransi yang ketat dan permukaan yang halus dalam jumlah banyak dan mampu bersaing dengan cara permesinan. 4. Dapat menghasilkan produk dengan bentuk yang rumit, dan lain sebagainya. Namun di sisi lain teknik metalurgi serbuk ini ternyata memiliki beberapa keterbatasan seperti: TEKNIK PEMBENTUKAN 94 1. Harga serbuk logam relative mahal serta memerlukan perhatian khusus pada penyimpanannya. 2. Biaya investasi peralatan masih cukup mahal. 3. Pada beberapa kasus, pembuatan produk dengan bentuk tertentu tidak dapat dibuat karena selama proses kompaksi serbuk tidak mampu mengalir mengisi ruang cetakan. 4. Beberapa jenis serbuk logam yang halus merupakan sumber bahaya ledakan dan kebakaran. (a) (b) Gambar VII-1 Contoh produk yang dibuat dengan metoda P/M (a) bantalan, dan (b) roda gigi TEKNIK PEMBENTUKAN 95 7.2 Fabrikasi dan Pencampuran Serbuk Logam Secara teoritis, semua jenis logam teoritis dapat dibuat menjadi serbuk, namun demikian hanya beberapa jenis logam yang dimanfaatkan dalam pembuatan produk atau komponen mesin. Pada dasarnya, serbuk logam dapat dibuat melalui empat cara utama, yaitu : 1. Mekanis, seperti penggilingan (mechanical milling), pemesinan. 2. Metoda Atomisasi, termasuk didalamnyaatomisasi dengan mengunakan fluida bentuk gas maupun air. 3. Cara Kimia, serta cera lain Pembuatan serbuk logam melalui rute mekanis dapat dilakukan antara lain dengan pemesinan atau bisa juga dengan cara yang sudah banyak dilakukan orang yaitu metoda penggilingan atau yang dalam bahasa Inggrisdisebut sebagai mechanical milling. Pada metoda permesinan, serbuk yang dihasilkan sebenarnya merupakan bagian yang dibuang (scrap) dari sebuah proses pemesinan. Metda ini sangat efektif pada proses produksi serbuk logam dalam skala kecil.Cara ini diketahui memiliki efisiensi yang rendah serta kecepatan produksi yang rendah serta mengasilkan bentuk serbuk yang tidak beraturan dan kasar. Sehingga metoda pemesinan ini tidak menjadi pilihan utama pada fabrikasi serbuk. Metoda penggilingan (mechanical milling) merupakan alternative lain proses produksi secara mekanis. Pada proses ini digunakan bola-bola baja keras yang ditempatkan dalam sebuah tabung. Pada proses produksi, serbuk yang dihaluskan terjebak diantara bola bajayang bertambrakan, sehinggamengakibatkan pecahnya serbuk tersebut menjadi ukuran yang lebih kecil. Cara ini merupakan cara klasik yang banyak digunakan. Syarat utama yang harus dipenuhi adalah material yang diserbukan haruslah getas, sehingga akan mudah dipecahka. Mekanisme penghalusan serbuk dapat dilihat pada Gambar 7.2. TEKNIK PEMBENTUKAN 96 Gambar VII-2 Prinsip dasar prosesfabrikasi serbuk logam metoda penggilingan Metoda atomisasi dilakukan dengan menyemprotkan air atau gas pada logam cair yang dijatuhkan ditengah-tengah jet air atau gas. Proses ini sangat popular karena memiliki keleluasaan dalam memproduksi serbuk baik dari sisi ukuran dan bentuk serbuk maupun kecepatan produksinya. Skema perangkat metoda atomisasi gas dapat dilihat pada Gambar 7.3 Gambar VII-3 Atomisasi gasPada atomisasi dengan mempergunakan media air, semprotan air dengan tekanan tinggi diarahkan ke aliran logam cair sehingga terjadi pemecahan aliran logam menjadi TEKNIK PEMBENTUKAN 97 partikel berukuran kecil yang secara spontan dibekukan (perhatikan Gambar 7.4). Pembekuan cepat dari partikel ternyata telah berdapkan pada terbentuknya serbuk dengan bentuk yang tidak beraturan (irregular) dan kasar. Metoda atomisasi air ini telah dipergunakan unutk fabrikasi serbuk logam yang bertemperatur cair kurang lebih 1600C. Gambar VII-4 Proses produksi serbuk logam metoda atomisasi dengan media air Masih dalam kategori metoda atomisasiadalah dengan memanfaatkan teknik elektroda putar (Gambar7.5). Mekanisasi pembentukan serbuk mengabil prinsip pengelasan serta digabungkan dengan aplikasi gaya sentrifugal terhadap elektroda yang mencair. Akibat gaya sentrifugal tersebut, logam cair akanterlempar keuar dari sumbu putarnya membentuk serbuk logam. Perangkal las yang ideal unutk digunakan adalah welding torch dan mesin las TIG. TEKNIK PEMBENTUKAN 98 (a) (b) Gambar VII-5 Alat atomisasi dengan teknik elektroda putar. (a) Welding torch mesil las TIG dan (b) mekanisasi sentrifugal Belakangan cara baru proses atomisasi dilakukan dengan memanfaatkan semburan nyala asetilen yang berfungsi gandayakni mencairkan logam sekaligus mengatomisasi logam yang telah cair tersebut (Gambar 7.6.Salah satu keuntungan dari proses semburan panas ini adalah banyaknya jenis material yang dapat digunakan dalam proses ini. TEKNIK PEMBENTUKAN 99 Gambar VII-6 Peralatan atomisasi las oksi-asetilenCara kimia dilakukan dengan proses reduksi, yaitu menghilangkan oksigen dari oksida logam. Cara ini hampir dapat digunakan pada setiap logam. Pada proses reduksi, oksida logam direduksi menjadi serbuk dengan mengalirkan gas reduktor pada suhu di bawah titik cair. Untuk serbuk besi, biasanya digunakan suatu oksida besi. Oksida ini dicampur dengan serbuk kokas dan dimasukkan ke dalam tanur putar. Pada akhir pemisahan, campuran ini dipanaskan sampai 1050C, hal ini menyebabkan karbon bereaksi dengan oksigen yang terdapat dalam oksida besi. Gas yang terbentuk dialirkan keluar. Besi yang tertinggal cukup murni dan berbentuk spons. Serbuk logam lainnya, seperti wolfram, molibdenum, nikel, dan kobalt dibuat dengan proses yang sama. Berkaitan dengan pencampuran serbuk, ada dua fenomena dasar yang perlu diperhatikan. Pertama dilkalukan terhadapsatu macam serbuk logam namun dengan ukuran partikel yang berbeda, Proses ini biasa disebut dengan proses pengadukkan atau blending. Sedangkan yang ke dua, pencampuran dilakukan dengan memcampurkan serbuk logam yang berdeda atau antara serbuk logam dengan additive yang berfungsi sebagai lubrikan. Proses inilah yang disebut dengan pencampuran (mixing) atau ada yang menyebut dengan pemaduan atau alloying. Variable penting yang perlu diperhatikan pada proses pencampuran ini antara lain: 1. Volume serbuk 2. Ratio serbuk 3. Karakteristik serbuk TEKNIK PEMBENTUKAN 1004. Temperature pengadukan 5. Waktu pengadukan 6. Kecepatan pengadukan 7. Temperatur pengadukan 8. Atmosfir ruang/bejana pengaduk 9. Geometri alat pencampur. 10. Volume ruang alat pengaduk. Beberapa rekomendasi menyatakan hasil pencapuran akan efisien apabila volume serbuk logam menempati ruang antara 50% sampai dengan 60% dari volume alat pencampur. Sedangkan waktu optimum yang diperlukan sekitar 5 sampai dengan 30 menit. Alat pencampur serbuk dan mekanisme aliran serbuk dapat dilihat berturut-turut pada gambar 7.7 dan 7.8. Gambar VII-7 Alat pencampur serbuk logam model V dan double cone. TEKNIK PEMBENTUKAN 101Gambar VII-8 Mekanisme aliran serbuk selama proses pencampuran 7.3 Karakteristik Serbuk Logam Secara umum, ukuran partikel, bentuk, dan distribusi ukuran serbuk logam sangat mempengaruhi karakteristik packing, aliran, kemampuan tekan, dan sifat mekanik produk yang akan dihasilkan. Karakteristik serbuk logam yang merupakan basic spesifikasi, antara lain: 1. Bentuk serbuk logam 2. Ukuran partikel. 3. Distribusi partikel 4. Sifat Kimia 5. Sifat mampu tekan 6. Apparent density 7. Flow ability Bentuk partikel serbuk bergantung pada metoda fabrikasinya. Pada umumnya serbuk logam dapat berbentuk bulat, tak teratur, pipih, atau bersudut tajam (Gambar 7.9). Penentuan bentu partikel ini sangatlah subyektif, tergantung pada peneliti yang bersangkutan. TEKNIK PEMBENTUKAN 102 Gambar VII-9 Macam-macam bentuk serbukUkuran partikel biasanya ditentukan dengan mengayak serbuk menggunakan ayakan standar atau dengan pengukuran mikroskop. Ayakan standard berukuran antara 36 m sampai 850m. Selain dipergunakan untuk mengecek ukuran pengayakan juga bermanfaan untuk menentukan distribusi ukuran partikel. Distribusi ukuran partikelditentukan oleh jumlah partikel dari setiap ukuran standar dalam serbuk tersebut. Distribusi ukuranpartikel ini sangat mempengaruhi sifat mampu alir, berat jenis, dan porositas produk cukup besar. Sifat kimia erat kaitannya dengan tingkat kemurnian serbuk, jumlah oksida yang diperbolehkan, dan kadar elemen lainnya. Sifat mampu tekanatau kompresibilitas adalah perbandingan volum serbuk lepas dengan volum hasil tekan. Nilai ini berbeda-beda dan dipengaruhi distribusi ukuran dan bentuk partikel. Sifat ini selanjutnya akan sangat mempengaruhi green strength dari produk Grenn compat. TEKNIK PEMBENTUKAN 103Apparent densityadalah massa serbuk per volume (gram/cm3). Harga ini harus tepat, agar jumlah sebuk yang mengisicetakan setiap waktunya tetap sama. Mampu alir(flow a bility) merupakan karakteristik yang menggambarkan sifat alir sebuk dan kemampuan memenuhi ruang cetak. Karakteristik ini dapat digambarkan sebagai laju alir melalui suatu celah tertentu. Hal ini dipakai sebagai perbandingan pada proses pembuatan produk, berapa lama serbuk dapat melewati nosel besar dalam mengisi ruang cetakan. Kecepatanalir lewat nosel ini merupakan faktor batas kecepatan produksi. 7.4 Proses Kompaksi. Kompaksi adalah proses pemadatan serbuk menjadi bentuk yang diinginkan. Terdapat beberapa metode penekanan, diantaranya, penekanan dingin dan penekanan panas. Penekanan dingin dilakukan pada tempetatur ruang dengan tekanan antara 100 - 900Mpa. Proses penekanan ini menghasilkan bentuk yang sesuai dengan cetakan, namun dengan kekuatan yang sangat rendah. Hasil pencetakan ini biasa disebut dengan green compact. Proses penekanan dingin (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. Penekanan terhadap serbuk dilakukan agar serbuk dapat saling mengikat sebagai akibat dari deformasi plastik serbuk selama penekanan. Gambar 7.10 menujukkan mekanisme ikatan antar serbuk (inter locking) sebagai akibat dari deformasi serbuk. TEKNIK PEMBENTUKAN 104Gambar VII-10 Stuktur mikro hasil kompaksi serbuk besi. Dampak proses kompaksi terhadap serbuk antara lain ditunjukkan dengan adanya peningkatan kekerasan sebagai akibat proses pengerasan regangan serta meningkatnya berat jenis. Tekanan kompaksi ini memiliki batas optimum seperti direkomendasikan dalam tabel 7.1. Tabel 7.1 Tekanan Kompaksi pada Berbagai Logam Serbuk Metal Pressure (MPa) Alumunium 70 275 Brass 400 700 Bronze 200 275 Iron 350 800 Tantalum 70 140 Tungsten 70 140 TEKNIK PEMBENTUKAN 105Mekanisme kompaksi serta proses pengisian serbuk ke dalam cetakan dapat dilakukan secara otomatis maupun secara manual. Umumnya peralatan kompaksi ini tersesun dari beberapat bagian antara lain penekan (punch) atas dan bawah serta Cetakan (die) (lihat Gambar7.11). Penekan bawak biasanya sekaligus difungsikan sebagai alat untuk mengluarkan hasil kompaksi (green compact). Kegagalan proses kompaksi dapat terjadi pada tahap pengeluaran yang diakibat oleh gesekan antara green compact dengan cetakannya (Gambar 7.12) Gambar VII-11 Proses kompaksi serbuk logam. TEKNIK PEMBENTUKAN 106Gambar VII-12 Kerusakan greencompact akibat gesekan dengan cetakannya. 7.5 Proses Sinter. Proses sinter dalam bahas Inggris dikenal dengan istilah sintering, silakukan terhadap hasil kompaksi (green compact) pada temperatur pemanasan dibawah titik lebur serbuk logam (sinter dalam kedaan fasa padat). Namun kadang kala proses sinter ini dilakukan pada suhu tinggi dengan tujuan unutk melebur sebaian serbuk yang bertemperatur lebur rendah yang selanjutnya akan berfungsi sebagai bahan pengikat serbuk yang lebih keras (sinter dalam keadaan fasa cair). Proses sinter dapat terjadi akibat adanya difusi atom yang sangat dipengaruhi oleh temperature. Selanjutnya, akibat adanyadifusi atau perpindahan atom menuju ke area antar butir akan membentuk ikatan antara dua atau lebih butir. Ilustrasi proses sinter ini dimodelkan dengan meninjau proses pembentukan ikatan antara dua butir dari serbuk logam sejenis (Gambar 7.13). Selain berdampak pada peningkatan sifat mekanik yang signifikan, proses sinter juga mampu mengeliminasi porusitas pada produk yang dihasilkan (Gambar 7.14). Permasalahan lain yang harus diperhatikan adalah kemungkinan munculnya fenomena oksidasi yang tidak dikehendaki. Untuk itu beberapa persyaratan termasuk afmosfer tungku juga harus diperhatikan. Sebagai contoh, pemanfaatan tungku sinter dengan lingkungan gas mulia atau vakum. TEKNIK PEMBENTUKAN 107Gambar VII-13 Proses sinter yang diakomodir oleh mekanisme difusi. Gambar VII-14 Reduksi porusitas selama proses sinter.BAB VIIICETAK PLASTIK Tujuan Pembelajaran Umum Mengetahui dasar proses injection moulding. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Dasar-dasar cetak plastik dan jenis jenis platik 2. Temperatur pencetakan; 3. Proses injeksi dan blow moulding 8.1 Jenis Plastik Plastik telah menempati posisi yang penting pada setiap lini teknologi serta pemanfaatan yang luas. Hal tersebut dikarenakan oleh beberapa kelebiah sifat yang dimiliki seperti ringan dan mudah dibentuk.Plastik sebenarnya adalah polimer yang memiliki molekul yang besar atau makromolekul yang tersusun dari monomer, seperti dicontohkan pada Gambar 8.1, contoh lain bentuk polimer dapat disimak pada table 8.1. Akibat molekul yang besar serta bukan merupakan atom tunggal, polimer ini sulit membentuk kristal seperti layaknya yang terjadi pada logam. Oleh sebab itutah sifatsifat platik dan perilaku selama pemekaian sangat berbeda dengan logam. Gambar VIII-1 Struktur polyethylene TEKNIK PEMBENTUKAN 109Tabel 8.1 Contoh jenis jenis polimer Selain membentuk jariang seperti diconthkan pada gambar 8.1, beberapa jenis polimer dapat membentuk struktur jaringan yang dapat menghubungkan tiga atau lebih molekul yang berdekatan. Kondisi tersebut dapat terjadi apabila monomer yang bereaksi tersebut bersifat fungsional ganda, sebagai contoh formaldehida (CH2O) dan fonol (C6H5OH). Pada temperature ruang, formaldehida akan berbentuk gas, sedangkan fenol berbentuk padatan dengan titik cair rendah. Reaksi kedua jenis senyawa tersebut akan menghasilkan fenol formaldehida atau yang biasa disebut dengan Bakelite dengan struktur seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8.2. Padarekasi tersebut, formaldeheide menghasilkan CH2yang menjadi jembatan antar cincin benzene dalam dua fenol. Hasil samping dalam reaksi tersebut adalah air yang dihasilkan dari pelepasan dua atom hydrogen yang berasal dari cincin benzene serta satu oksigek berasal dari formaldehida. TEKNIK PEMBENTUKAN 110Gambar VIII-2 Struktur bakelite Salah satu sifat spesifik yang dimiliki Bakelite antara lain tidak menjadi lunak bila dipanaskan. Keadaan tersebut mengakibatkan material jenis ini tidak dapat dicetak seperlilayaknya jenis polimer berstruktur linier. 8.2 Teknik Cetak Plastik. Cetak plastic ditujukan untuk membentuk bahan dasar plastic menjadi bentuk atau produk. Ada beberapa metoda yang bisa dilakukan unutk membuat produk antara lain: (i) injeksi, (ii) ekstrusi maupun (iii) blow moulding. Pada proses injeksi, termoplastik dalam bentuk granular masukkan kedalam sebuah penampung atau hopper dan selanjutnya, akibat gaya grafitasi, granular tersebut masuk ke dalam barrel secara otomatis dimanagranular dilelehkan oleh pemanas yang terdapat di dinding barrel. Proses injeksi dilaksanakan setelah palstik meleleh melalui nozzle ke dalam cetakan yang didinginkan oleh air. Produk yang sudah dingin dan mengeras dikeluarkan dari cetakan oleh pendorong (ejector) yang ada di rumah cetakan tersebut.Waktu yang diperlukan selama proses pendinginan dan penguluaran produk dimanfaatkan untuk melelehkan platik dalam barel sebagai persiapan injeksi berikutnya. Mesin injkesi serta mekanisme injeksi dapat di pelajari pada gambar 8.3 dan Gambar 8.4. Mirip dengan porses injeksi ini adalah pencetakan plastik metoda kompresi seperti diilustrasikan pada gambar 8.5 TEKNIK PEMBENTUKAN 111Gambar VIII-3 Mesin injeksi plastik Gambar VIII-4 Gambar detail system injeksi, pemanasan dan cetakan TEKNIK PEMBENTUKAN 112Gambar VIII-5 Cetak plastik metoda kompresi Daerah operasi yang merupakan gabungan dari temperature dan tekanan adalah spesifik pada setiap bahan platik. Idealnya, daerah kerja proses injeksi adalah seluasluasnya, sehingga proses produksi menjadi lebih fleksibel serta bisa mengakomodasikan variasi alami serta dapat menghasilkan produkyang memenuhi criteria. Apabila daerah kerja terlalu sempit akan memmunculkan risiko cacat produk. Temperatur kerja yang terlalu rendah akan mengakibatkan platik tidak meleleh, atau apabila plastic meleleh akan mengakibatkan munculnya vickosital lelehan yang sangat tinggi, sehingga diperlukan tekanan injeksi yang sangat tinggi pula yang mengakibatkan munculnya flash barau burr pada garis pemisah yang diakibatkan oleh gaya cekam yang lebih rendah dari tekanan injeksi. Di sisi lain, bila temperature kerja terlalu tinggi akan mengakibatkan terbakarnya platik. Sebagai gambaran daerah kerja diilustrasika dalam Gambar 8.6. TEKNIK PEMBENTUKAN 113Gambar VIII-6 Daerah operasi cetak plastik REFERENSI 1. Serope Kalpakjian, Manufacturing Engineering and Technology, 2ndEdition, Addison-Wesley Publishing Company, 1992 2. E. Paul DeGarmo, J.T. Black, Ronald A. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing, 7thEdition, Macmillan Publishing Company, 198