II-1 BAB II TEORI DASAR 2.1. Serbuk Logam

 BAB II
TEORI DASAR
2.1. Serbuk Logam
Serbuk logam adalah suatu material dalam bentuk serbuk yang diperoleh
dengan cara merubah suatu padatan ukuran besar ke bentuk butiran (powder).
Serbuk logam dapat diperoleh melalui proses atomisasi, mekanis, fisika, dan
Serbuk logam ini selanjutnya akan diproses melalui metalurgi serbuk yang
kimia.
dikenal
efektif pada proses fabrikasi alat atau komponen mesin yang tidak dapat
dibuat dengan pemesinan.
2.2 Metalurgi Serbuk
Metalurgi serbuk adalah suatu proses pembuatan komponen dari serbuk
logam atau campuran bahan baku logam melalui penekanan dan disertai dengan
pemanasan pada suhu (logam padat) di bawah temperatur cair serbuk. Pemanasan
selama proses penekanan atau sesudah penekanan dikenal dengan istilah sinter.
Produk hasil metalurgi serbuk dapat terdiri dari produk campuran berbagai serbuk
logam atau dapat pula terdiri dari campuran bahan bukan logam, untuk
meningkatkan ikatan partikel dan mutu benda jadi.
Keuntungan proses metalurgi serbuk adalah:
a. Porositas produk dapat dikendalikan dan diatur.
b. Serbuk yang murni akan menghasilkan produk yang murni.
c. Hasil produk mempunyai toleransi yang tinggi, permukaan halus, dan
keras.
d. Dapat menghasilkan komponen kecil dan permukaan yang halus dalam
jumlah banyak dan mampu bersaing dengan cara pemesinan.
e. Dapat menghasilkan produk dengan bahan yang berbeda.
Keterbatasan proses metalurgi serbuk adalah:
a. Serbuk logam sangat mahal dan sulit penyimpanannya karena mudah
terkontaminasi.
b. Peralatan mahal.
II-1
II-2
c. Bentuk yang rumit tidak dapat dibuat karena selama penekanan serbuk
tidak mampu mengalir mengisi ruang cetakan.
d. Beberapa jenis serbuk logam yang halus merupakan sumber bahaya
ledakan dan kebakaran.
2.3 Pembuatan Serbuk
Meskipun semua logam secara teoritis dapat dibuat menjadi serbuk, tetapi
hanya beberapa jenis logam yang dimanfaatkan dalam pembuatan benda jadi.
Pembuatan
serbuk logam dapat dilakukan dengan empat cara, yaitu:
1. Cara Mekanis
Cara mekanis adalah suatu cara pembuatan serbuk logam dengan bantuan
alat-alat mekanis atau mesin, seperti:
a. Machining
Pemesinan adalah teknik yang mudah untuk memberikan bentuk, oleh
karena itu sangat berguna bagi produksi serbuk dalam skala kecil.
b. Milling
Milling merupakan tumbukan mekanis menggunakan bola-bola keras
adalah pendekatan klasik untuk pembuatan serbuk dari material yang
mudah pecah (brittle). Penggilingan terdiri dari tabung berotasi dengan
bola-bola secara terus menerus beradu dengan material. Material akan
hancur menjado serbuk.
2. Cara Fisika
Electrolitik Depotition, cara ini sangat umum diterapkan pada
pembuatan serbuk logam, seperti besi, perak dan beberapa jenis logam
lainnya. Caranya dengan memisahkan unsur logam dari larutan garamnya.
Untuk membuat serbuk besi digunakan elektroda pelat baja yang dipasang
sebagai anoda dalam tangki sebagai katoda dan besi mengendap pada
electrode tersebut. Digunakan arus searah dan setelah kurang lebih 48 mm,
diperoleh endapan setebal 2 mm. Pelat katoda kemudian dikeluarkan dan
besi elektrolitik diambil, kemudian besi yang sangat rapuh ini dicuci dan
disaring. Serbuk kemudian dianil untuk pelunakan.
II-3
3. Cara Kimia
Cara ini adalah 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 suhu 1050oC, hal ini menyebabkan karbon bereaksi
dengan oksida oksigen yang terdapat dalam oksida besi. Terbentuklah gas
yang dialirkan keluar. Besi yang tertinggal cukup murni dan berbentuk
sponge. Serbuk logam lainnya, seperti wolfram, molybdenum. Nikel, dan
kobalt dibuat dengan proses yang sama.
4. Cara Atomisasi
Cara ini adalah penyemprotan logam cair dengan menggunakan
medium cair atau gas yang bersuhu rendah. Cairan logam ditekan lewat
nozzle dan didinginkan dengan udara, atau air. Proses ini bergantung pada
pemilihan nozzle, tekanan, temperatur gas, dan jumlah aliran logam. Cara
ini ada dua macam yaitu:
a. Gas atomization
Teknik ini untuk menghasilkan logam dengan gas atau udara yang
bertekanan.
b. Water atomization
Teknik ini untuk menghasilkan serbuk logam dimana temperatur
logam cair kurang lebih 1600oC. Semprotan air dengan tekanan tinggi
diarahkan pada aliran logam cair. Air dapat diarahkan dengan satu
penyemprot atau lebih, karena pendinginan yang cepat maka bentuk
serbuknya irregular dan kasar. Tekanan yang sangat tinggi menghasilkan
kecepatan air yang tinggi dan menghasilkan ukuran partikel yang halus.
Berikut ini adalah mekanisme pembentukan partikel (Gambar 2.1)
dengan water atomization.
II-4
Gambar 2.1 Mekanisme pembentukan partikel
2.4 Jenis-jenis Alat Atomisasi
Dalam pengembangannya, alat produksi serbuk logam metoda atomisasi
banyak diminati serta secara terus menerus mengalami perkembangan dengan
berbagai modifikasi, diantaranya:
1. Alat atomisasi las oksi-asitelin
Alat ini telah dibuat dan diteliti pada tahun 2005 oleh Muhammad
Ridlwan, Alva Edi Tantowi, dan Heru Santoso B.R. Pada alat ini
proses
semburan kawat oksi-asitelin adalah proses pelapisan logam dengan
semburan panas dengan sumber energy nyawa oksi-asitelin dan bentuk
bahan baku logam pelapis berupa kawat. Salah satu keuntungan dari proses
ini adalah banyaknya jenis material yang dapat digunakan dalam prosesnya.
Prinsip kerja alat ini yaitu material pelapis yang berbentuk kawat dilewatkan
ke dalam nyala oksi-asitelin, yang mempunyai temperatur operasi kurang
lebih 3480oC, dipanaskan hingga mencair, kemudian pada saat yang sama
udara bertekanan tinggi dialirkan ke kawat yang sedang mencair tersebut
untuk mengatomisasi logam cair dan mempercepat kecepatan semburan.
2. Alat atomisasi dengan teknik elektroda putar
II-5
Alat ini telah dibuat dan diteliti pada tahun 2005 oleh Nusin Samosir
dan Natonio Gogo. Pada Gambar 2.2 terlihat bahwa serbuk dari logam yang
dilelehkan dengan proses las dan diputar sehingga terlempar ke dinding
tabung berupa serbuk. Dengan alat ini dapat dihasilkan serbuk berbentuk
bulat. Instrumen utama alat ini adalah welding torch dan mesin las TIG.
Gambar 2.2 Alat atomisasi dengan teknik elektroda putar
3. Atomisasi air
Atomisasi air adalah salah satu teknik untuk memproduksi serbuk
logam ataupun paduan dari logam yang memiliki titik melting kurang dari
1600oC. Prinsip kerja dari proses ini hampir sama dengan atomisasi gas,
karena fluida yang digunakan adalah air, maka pendiginannya lebih cepat.
Karena pendinginan yang cepat, bentuk serbuk tidak beraturan dan relatif
kasar dan terdapat pula unsur oksida. Mekanisme untuk menghasilkan
partikel pada proses atomisasi air dapat melalui cratering, splashing,
stripping, dan bursting. Tekanan adalah variabel kontrol proses yang utama
dalam atomisasi air. Tekanan air yang tinggi menghasilkan kecepatan air
yang tinggi pula.
II-6
2.5 Bagian-bagian Alat Atomisasi
1. Nozzle
Nozzle adalah alat untuk menyalurkan air betekanan yang nantinya akan
mengenai logam cair sehingga membentuk serbuk logam.
Berikut adalah perhitungan kecepatan air pada saat melewati nozzle.
Hasil perhitungan ini nantinya akan dipakai sebagai parameter dalam proses
simulasi.
Z1 +
2
2
v
v
P1
P
+ 1 = Z2 + 2 + 2 + HL
2g
2g
g
g
…………………………. (1)
Keterangan:
Z = Ketinggian (m)
P = Tekanan (Pa)
 = Massa jenis air (kg/m3)
g = Gravitasi (9,81 m/s2)
v = Kecepatan (m/s)
HL = Head Loss (m)
Head Loss terbagi menjadi dua:
a. Rugi-rugi mayor (Hm) adalah akibat dari perbedaan diameter
(pengecilan atau pembesaran mendadak)
Hm = k
2
v
………………………………………….………………..(2)
2g
Keterangan:
Hm = Rugi-rugi mayor (m)
k = Kosntanta
v = kecepatan (m/s)
g = Gravitasi (9,81 m/s2)
b. Rugi-rugi minor (Hf) adalah akibat dari gesekan
Hf = f
L v2
……………………………………………………….. ..(3)
d 2g
II-7
f=
Keterangan:
Hf = Rugi-rugi minor (m)
f = koefisien gesek
d = diameter penampang (m)
64
(jika turbulence)
Re
L = panjang penampang (m)
v = kecepatan (m/s)
g = gravitasi (9,81 m/s2)
Sebuah aliran akan turbulence jika Re > 2400
Re =
dv
…………………………………………………………… (4)

Keterangan:
Re = Bilangan Reynold
 = massa jenis air (kg/m3)
d = diameter penampang (m)
v = kecepatan (m/s)
µ = 1,14 x 10-3
2. Ruang atomisasi (Chamber)
Chamber adalah tempat terjadinya proses atomisasi sampai
menghasilkan serbuk. Untuk menentukan banyak bahan yang akan
digunakan dalam pembuatan serbuk dapat digunakan perhitungan secara
matematis sederhana yaitu dibuat sesuai hasil dari simulasi NUMECA. Kita
tentukan chamber yang akan kita buat tersebut berbentuk kotak. Dengan
panjang sesuai hasil simulasi yaitu 1,2 meter, untuk lebar dan tinggi kita
tentukan 0,4 meter.
Salah satu tahap pembuatan chamber yaitu pemotongan bahan.
Bahan yang telah dipotong kemudian ditekuk sesuai gambar kerja. Setelah
dilakukan penekukan maka dilakukan perakitan dengan memasang bagianbagian plat tersebut agar menjadi satu kesatuan box chamber sesuai gambar
kerja. Pemasangan tersebut kita lakukan dengan memasang baut.
II-8
2.6 Bentuk Geometrik Nozzle
Untuk bentuk nozzle pada proses atomisasi ini sangat banyak macamnya
tergantung pada penggunaan nozzle itu sendiri, dimana fungsi nozzle adalah untuk
mengontrol
aliran dan bentuk dari fluida yang akan mengabutkan logam cair
sehingga dapat menghasilkan serbuk logam sesuai dengan sifat-sifat yang
diinginkan.
Gambar 2.3 Sistematik alat atomisasi horizontal
Dari desain yang telah ada pada literatur, maka desain yang akan diterapkan
adalah sistem atomisasi horizontal. Terlihat pada Gambar 2.3, dimana logam cair
tersebut dijatuhkan melalui corong yang diletakkan tegak lurus di atas lubang
nozzle yang dibuat sehingga kecepatan jatuh logam cair tersebut menggunakan
kecepatan gravitasi yang bernilai 9,81 m/s. Untuk desain dari sistem ini diambil
karena mudah melakukan proses pemesinan, proses pengelasan, dan proses
fabrikasi dengan menggunakan alat atau mesin yang ada di laboraturium
pemesinan dan laboraturium fabrikasi di POLBAN.
2.7 Proses Produksi Metalurgi Serbuk
Proses ini menghasilkan aliran logam cair dengan menginjeksikan logam
cair melalui lubang yang sangat kecil (nozzle). Kemudia aliran itu dipecah dengan
disemprotkan fluida yang tidak dapat bereaksi kimia dengan logam tersebut.
Ukuran partikel yang terbentuk bergantung pada factor: suhu logam, kecepatan
penyemprotan, ukuran dan karakteristik nozzle.
II-9
Gambar 2.4 Mekanisme atomisasi
Mekanisme atomisasi (Gambar 2.4) meliputi 5 tahap yaitu:
a. Pembentukan awal
dengan memberikan
gangguan kecil
pada
permukaan logam cair.
b. Pembentukan fragment dan ligament melalui pendistribusian.
c. Pemecahan ligament ke dalam bentuk droplet (atomisasi pertama),
bentuk partikel yang teratur diperoleh dari tegangan permukaan yang
tinggi dan kecepatan pendinginan yang rendah.
II-10
d. Deformasi yang lebih jauh dan pengecilan dari bentuk droplet ke
bentuk partikel yang lebih kecil lagi (atomisasi kedua).
e. Penyatuan dan pemisahan partikel.
2.8 Bentuk Nozzle
Bentuk nozzle ini dapat dibedakan menjadi 2, yaitu:
a. Nozzle terbuka
Pada bagian ini, nozzle terdiri dari dua buah lubang yang memiliki
diameter dan bentuk tertentu dan mempunyai sudut tertentu yang
mempertemukan aliran fluida yang bertekanan.
b. Nozzle tertutup
Pada bagian ini, nozzle seluruhnya tertutup dan dialiri oleh fluida
sehingga tidak ada cairan, nozzle ini terdiri dari berbagai bentuk aliran. Ada
yang kerucut, prisma dan segitiga yang memiliki diameter dan bentuk
tertentu. Nozzle tertutup mempunyai sudut yang mempertemukan aliran
fluida yang bertekanan dan mengalir mengelilingi cairan logam sehingga
cairan logam tidak keluar dari batas aliran fluida.
2.9 Sifat dan Karakteristik Serbuk
Ukuran partikel, bentuk dan distribusi ukuran serbuk logam (pada Gambar
2.5) mempengaruhi karakteristik packing, aliran, kemampuan tekan, dan sifat fisis
benda yang dimampatkan . Serbuk dibuat menurut spesifikasi, antara lain:
a. Bentuk
Bentuk ini bergantung pada cara pembuatannya. Dapat berbentuk bulat,
tak teratur, pipih atau bersudut tajam. Oleh karena kesukarannya untuk
menentukan bentuk partikel, maka penentuan bentuk partikel dilakukan
secara subyektif.
b. Ukuran partikel
Kehalusan sangat berkaitan erat dengan kekasaran permukaan. Ukuran
partikel biasanya ditentukan dengan mengayak serbuk menggunakan ayakan
standar atau dengan pengukuran mikroskop. Ayakan standar berukuran
II-11
antara 36 sampai 850 µm digunakan untuk memeriksa ukuran dan
menentukan distribusi ukuran partikel dalam daerah tertentu.
c. Distribusi dan ukuran partikel
Distribusi dan ukuran partikel ditentukan oleh jumlah partikel dari
setiap ukuran standar dalam serbuk tersebut. Pengaruh tersebut terhadap
mampu alir, berat jenis dan porositas produk cukup besar.
d. Sifat kimia
Menyangkut kemurnian serbuk, jumlah oksida yang diperbolehkan, dan
kadar elemen lainnya.
e. Sifat mampu tekan
Mampu tekan (kompresibilitas) adalah perbandingan volume serbuk
lepas dengan volume hasil tekan. Nilai ini berbeda-beda dan dipengaruhi
oleh distribusi ukuran dan bentuk partikel. Kekuatan tekan mentah
bergantung pada nilai kompresibilitas.
f.
Berat jenis curah (apparent density)
Apparent density adalah massa serbuk per volume (gram/cm3). Harga
ini harus tepat agar jumlah serbuk yang mengisi cetakan setiap waktunya
tetap sama.
g. Mampu alir (fluiditas)
Mampu alir merupakan karakteristik yang menggambarkan sifat alir
serbuk 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 nozzle besar dalam mengisi ruang cetakan. Kecepatan alir
lewat nozzle ini merupakan factor batas kecepatan produksi.
II-12
Gambar 2.5 Bentuk-bentuk serbuk
2.10 Timah
Timah adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki
simbol Sn (bahasa latin: stannum) dan nomor atom 50. Unsur ini merupakan
logam miskin keperakan, dapat ditempa (malleable), tidak mudah teroksidasi
dalam udara sehingga tahan karat, ditemukan dalam banyak paduan logam, dan
digunakan untuk melapisi logam lainnya untuk mencegah karat. Timah diperoleh
terutama dari mineral cassiterite yang terbentuk sebagai oksida. Timah memiliki
dua bentuk yaitu sebagai timah putih (metallic) dan timah hitam (no metallic).
II-13
Sifat fisik timah dapat dijelaskan pada tabel dibawah ini:
Tabel 2.1 Sifat fisik timah (Sn)
Nama, simbol, dan unsur
Timah, Sn, 50
Sifat Fisik
Wujud
Padat
Density
( 20oC)
7,28g/cm3
Coefficient
of thermal expansion
26,92 x 10-6/oC
( 0-100oC)
Electrical resistivity( 18oC )
11,3Ω.cm
Electrical conductivity
14,9%
( dibandingkan dengan tembaga )
Specific Heat(at room temperature)
0,054cal/goC
Heat of formation of lowest oxide
69,8Kkal/g mol
Heat of fusion
1,72Kkal/mol
Melting point
231,928oC
Ultimate tensile strength
14MPa
Brinnel Hardness
5MPa
Young Modulus elasticity
41GPa
Boiling Point
2270oC
Spesific gravity
7,3
II-14
2.11 Scanning Electron Microscope (SEM)
SEM adalah jenis mikroskop elektron yang gambar permukaan sampelnya
ditampilkan dengan bantuan sinar elektron. Elektron berinteraksi dengan atom yang membentuk sampel mnghasilkan sinyal yang berisi informasi tentang
atom
permukaan topografi sampel, komposisi, dan sifat lainnya.
Jenis sinyal yang dihasilkan oleh SEM termasuk elektron sekunder,
Backscattred electroni (BSE), sinar-X karekteristik, cahaya dan dikirimkan pada
specimen. Pada umumnya elektron sekunder yang dipakai dalam proses SEM.
mode deteksi atau electron SEI, SEM dapat menghasilkan gambar resolusi
Dalam
sangat tinggi dari permukaan sampel. Karena berkas elektron yang bersifat sangat
sempit, mikrograf SEM besar memiliki kedalaman lapangan yang menghasilkan
penampilan tiga dimensi untuk memahami struktur permukaan sampel.