Studi Pengaruh Proses Kompaksi Terhadap Munculnya Retakan Pada Green Body Dan Hasil Sinter Magnet Barium-Strontium Hexaferrite
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Magnet permanen merupakan salah satu dari material fungsional yang sangat
lekat dengan berbagai teknologi modern di abad ke-21 ini. Keberadaan magnet
permanen dengan performa yang handal sangatlah penting, terlebih lagi dengan
adanya tuntutan penggunaan energi (listrik) yang lebih efisien dalam berbagai
perangkat. Sehingga, riset tentang magnet berperforma tinggi dan ekonomis terus
dilakukan seiring dengan perkembangan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi.
Perkembangan teknologi dimasa depan tidak hanya menyebabkan timbulnya
berbagai kebutuhan akan bahan yang mempunyai sifat tertentu, tetapi juga mampu
merubah kemampuan fungsi, teknik produksinya dan sebagainya.
Magnet keras ferit merupakan salah satu material magnet permanen yang
berperan penting dalam teknologi listrik, elektronik, otomotif, industri mesin, dan
lain-lain. Magnet keras ferit yang digunakan untuk aplikasi-aplikasi teknologi
tersebut masih diimpor dari luar negeri. Sampai saat ini, penelitian pembuatan
magnet dengan karakteristik yang lebih unggul dari sebelumnya
terus
dikembangkan dan terutama diharapkan magnet yang dihasilkan dapat menjadi
produk magnet keras ferit substitusi produk-produk impor.
Magnet keras ferit yang banyak digunakan biasanya memiliki komposisi
dari Barium atau Stronsium dengan Oksida Besi yang telah dikembangkan sejak
awal 1960. Bahan magnet ferit ini memiliki sifat mekanik dengan kekerasan dan
sifat magnetik yang cukup tinggi. Meskipun karakteristik energinya yang lebih
rendah dibandingkan dengan magnet keras lainnya seperti NdFeB, SmCo, dan
Alnico, tetapi magnet keras ferit masih banyak digunakan untuk aplikasi magnet
permanen karena bahannya yang melimpah dan murah.
Pembuatan magnet Barium Hexaferrit (BaO.6Fe203) sebelumnnya telah
dilakukan dengan bahan dasar Oksida Besi (Fe2O3) dan Barium Karbonat
(BaCO3) menggunakan teknologi metalurgi serbuk. Teknologi metalurgi serbuk
24
Universitas Sumatera Utara
pada proses pembuatan magnet Barium Ferit adalah proses mereaksikan semua
bahan baku dalam bentuk serbuk dengan tahapan mixing, kalsinasi, kompaksi dan
sintering. Pada tahapan kompaksi, serbuk magnet ferit dibentuk oleh cetakan
dengan besar tekanan yang akan mempengaruhi densitas dari magnet ferit.
Densitas tersebut akan mempengaruhi besar karakteristik magnet keras ferit yang
dihasilkan.
Kompaksi serbuk adalah teknik yang biasa digunakan dalam berbagai
bidang , termasuk teknologi serbuk , geologi , farmasi , dan industri baterai termal
(Jasim, 2011).Kompaksi serbuk adalah proses secara luas digunakan di banyak
industri . Misalnya , dalam metalurgi serbuk dan industri keramik , umumnya
serbuk dikompaksimenjadi sebuah green bodysebelum disinter pada suhu tinggi
(C.-Y.Wu, 2005).
Proses kompaksi serbuk secara umum dapat dibagi menjadi tiga tahap
yang berbeda : (1) Pengisian cetakan , di mana campuran serbuk disampaikan
bagian bawah cetakan. ;(2)pemadatan , dimana serbuk dikompaksi di dalam
cetakan dengan menggunakan dua penekan;(3)Pengeluaran,
di mana green
compact dikeluarkan dari cetakan . Ketiga tahapan perlakuan serbuk diatasakan
menentukan sifat-sifat green body akhir . Oleh karena itu, perlakuan mekanik
serbukpada setiap tahap sangat penting dan telah menarik perhatian yang
signifikan selama beberapa dekade terakhir .
Berdasarkan gerakan penekan , proses pemadatan dapat dibagi menjadi
dua fase : kompresi dan dekompresi . Selama kompresi , penekan atas bergerak ke
arah penekan bawah , kemudian serbuk mengalami densifikasi intensif dan
partikel serbuk bergerak bersama untuk membentuk agregat dengan kekuatan
kohesif yang cukup karena gaya Van Der Walls (G. Alderborn, 1996). Banyak
penelitian sebelumnya telah berkonsentrasi pada hubungan antara kepadatan
relatif
dan
meningkatnya
1961). Hubungan
ini
tekanan
tergantung
kompaksi
bahan
dan
(R.W.Heckel,K.Kawakita,
dianggap
sebagaiukuran
kompresibilitas bahan. Sejumlah model telah dikembangkan dan dimodifikasi
untuk mengkarakterisasi kompresibilitas serbuk lebih akurat (G.Alderborn,1996.
J.T. Carstensen, 1990). Meskipun belum ada bukti langsung dari mekanisme
densifikasi yang dilaporkan, sering dianggap bahwa penataan partikel dan susunan
25
Universitas Sumatera Utara
butiran adalah perilaku dominan akibat tekanan kompaksi yang rendah. Faktor
peningkatan tekanan dan deformasi elastis dari partikel menjadi faktor dominan.
Dalam industri pembuatan magnet salah satu faktor yang paling penting
diperhatikan adalah struktur alat cetak ( punch dies). Desain struktur cetakan
(punch dies) akan mempengaruhi sifat mekanis suatu green body. IndustriIndustri pembuatan magnet menggunakan alat cetak(punch dies) dengan desain
yang optimal untuk memperoleh green body yang kegagalannya serendah
mungkin. Untuk dapat mencapai kebutuhan industri, diperlukan desain punch dies
dengan kegagalan proses kompaksi kurang dari 2%.
Di Indonesia studi yang mempelajari desain terhadap green compact
sangat jarang dilakukan. Hal ini sangat wajar sehingga sistem punch dies pada
umunya diperoleh dari produk import. Untuk mempelajari efek desain punch dies
terhadap green compact, pada penelitian ini dilakukan studi efek kehalusan
permukaan cetakan dan berbagai variasi proses kompaksi. Diharapkan studi ini
dapat memperoleh data-data penting pada pengembangan desain punch dies di
Indonesia. Sehingga Diharapkan peneliti- peneliti Indonesia dapat memproduksi
punch dies yang berkualitas secara lokal di masa mendatang.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana efek tekanan, waktu penahanan, massa sampel, diameter alat
penekan, dan kehalusan permukaan alat cetak pada kompaksi ?
2. Bagaimana efek SingleuniaxialPressing dan Doubleuniaxial
pressingterhadap terbentuknya retakan?
3.
Bagaimana bentuk-bentuk retakan yang terbentuk pada drop testdan
darimana asalnya ?
4. Bagaimana efek kecepatan pemanasan sinteringdan suhu awal
sinteringterhadap retakan ?
26
Universitas Sumatera Utara
1.3 Batasan Masalah
Untuk membatasi masalah yang akan dibahas dalam penelitian ini, makadiberikan
batasan masalah sebagai berikut :
1. Serbuk yang digunakan adalah Ba-Sr Hexaferrite buatan china dengan
ukuran partikel 21,40μm.
2. Temperatur drying adalah 800C.
3. Variasi kompaksi antara lain sebagai berikut :
•
Variasi Tekanan [3000 PSI (21.000 Kpa), 4000 PSI (28.000 Kpa),
•
dan 5000 PSI (35.000 Kpa)]
•
dan 10 menit
•
•
•
Variasi Waktu Penahanan ( 1 menit, 2.5 menit, 5 menit ,7.5 menit
Variasi Jumlah sampel ( 2 gr, 4 gr, 6 gr, 8 gr dan 10 gr )
Variasi Struktur Permukaan Alat Cetak (Halus 50 μm dan Kasar
200μm)
Variasi Diameter Alat Penekan (φ1 = 1,6 cm dan φ 2 = 1 cm)
Variasi
Arah
Penekanan
(SingleuniaxialPressing
dan
Doubleuniaxial pressing)
4. Suhu sintering yang digunakan adalah 1100 0C, T
Holding
= 1 Jam, Variasi
kecepatan pemanasan ΔT = 50C/min, 100C/min dan 150C/min dan Suhu
awal 250C, 2500C.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai pada tugas akhir ini adalah:
1. Untuk mengetahui efek kualitatif tekanan, waktu penahanan, massa
sampel, struktur permukaan cetakan, dan diameter penekan pada
kompaksi terhadap terbentuknya retakan yang diukur dari kesempurnaan
hasil cetakan.
2. Untuk mengetahui efek SingleuniaxialPressing dan Doubleuniaxial
pressingterhadap terbentuknya retakan
27
Universitas Sumatera Utara
3.
Untuk mengetahui efek kecepatan pemanasan dan suhu awal pada proses
sintering terhadap terbentuknya retakan.
4. Untuk mengetahui desain kompaksi yang baik.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dilakukannya penelitian ini adalah:
1. Dapat mengetahui faktor- faktor penyebab terjadinya retak (crack) pada
green body dan hasil sinter magnet Ba-Sr Hexaferrite.
2. Dapat mengetahui proses kompaksi yang baik dan benar sehingga
diperoleh green body yang bagus.
3. Dapat membuat alat cetak dengan desain khusus dan biaya yang murah
untuk mendapatkan green body yang bagus.
1.6 Tempat Penelitian
Penelitian untuk tugas akhir ini dilakukan di Pusat Penelitian Fisika(PPF),
Lembaga
Ilmu
Pengetahuan
Indonesia
(LIPI)
Kawasan
PUSPIPTEK
Serpong,Tangerang Selatan, Indonesia
1.7 Sistematika Penulisan
Penulisan Laporan tugas akhir ini terdiri dari lima bab dengan sistematika sebagai
berikut :
Bab 1
Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah yang
akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat penelitian, tempat
penelitian dan sistematika penelitian.
Bab 2
Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan
untuk proses pengambilan data, analisa data, serta pembahasan dari
penelitian yang dilakukan.
28
Universitas Sumatera Utara
Bab 3
Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian, diagram
penelitian( prosedur penelitian), dan karakterisasi cuplikan yang
dilakukan.
Bab 4
Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data
yang diperoleh dari penelitian.
Bab 5
Kesimpulan
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari
penelitian dan saran untuk penelitian lebih lanjut.
29
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Magnet permanen merupakan salah satu dari material fungsional yang sangat
lekat dengan berbagai teknologi modern di abad ke-21 ini. Keberadaan magnet
permanen dengan performa yang handal sangatlah penting, terlebih lagi dengan
adanya tuntutan penggunaan energi (listrik) yang lebih efisien dalam berbagai
perangkat. Sehingga, riset tentang magnet berperforma tinggi dan ekonomis terus
dilakukan seiring dengan perkembangan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi.
Perkembangan teknologi dimasa depan tidak hanya menyebabkan timbulnya
berbagai kebutuhan akan bahan yang mempunyai sifat tertentu, tetapi juga mampu
merubah kemampuan fungsi, teknik produksinya dan sebagainya.
Magnet keras ferit merupakan salah satu material magnet permanen yang
berperan penting dalam teknologi listrik, elektronik, otomotif, industri mesin, dan
lain-lain. Magnet keras ferit yang digunakan untuk aplikasi-aplikasi teknologi
tersebut masih diimpor dari luar negeri. Sampai saat ini, penelitian pembuatan
magnet dengan karakteristik yang lebih unggul dari sebelumnya
terus
dikembangkan dan terutama diharapkan magnet yang dihasilkan dapat menjadi
produk magnet keras ferit substitusi produk-produk impor.
Magnet keras ferit yang banyak digunakan biasanya memiliki komposisi
dari Barium atau Stronsium dengan Oksida Besi yang telah dikembangkan sejak
awal 1960. Bahan magnet ferit ini memiliki sifat mekanik dengan kekerasan dan
sifat magnetik yang cukup tinggi. Meskipun karakteristik energinya yang lebih
rendah dibandingkan dengan magnet keras lainnya seperti NdFeB, SmCo, dan
Alnico, tetapi magnet keras ferit masih banyak digunakan untuk aplikasi magnet
permanen karena bahannya yang melimpah dan murah.
Pembuatan magnet Barium Hexaferrit (BaO.6Fe203) sebelumnnya telah
dilakukan dengan bahan dasar Oksida Besi (Fe2O3) dan Barium Karbonat
(BaCO3) menggunakan teknologi metalurgi serbuk. Teknologi metalurgi serbuk
24
Universitas Sumatera Utara
pada proses pembuatan magnet Barium Ferit adalah proses mereaksikan semua
bahan baku dalam bentuk serbuk dengan tahapan mixing, kalsinasi, kompaksi dan
sintering. Pada tahapan kompaksi, serbuk magnet ferit dibentuk oleh cetakan
dengan besar tekanan yang akan mempengaruhi densitas dari magnet ferit.
Densitas tersebut akan mempengaruhi besar karakteristik magnet keras ferit yang
dihasilkan.
Kompaksi serbuk adalah teknik yang biasa digunakan dalam berbagai
bidang , termasuk teknologi serbuk , geologi , farmasi , dan industri baterai termal
(Jasim, 2011).Kompaksi serbuk adalah proses secara luas digunakan di banyak
industri . Misalnya , dalam metalurgi serbuk dan industri keramik , umumnya
serbuk dikompaksimenjadi sebuah green bodysebelum disinter pada suhu tinggi
(C.-Y.Wu, 2005).
Proses kompaksi serbuk secara umum dapat dibagi menjadi tiga tahap
yang berbeda : (1) Pengisian cetakan , di mana campuran serbuk disampaikan
bagian bawah cetakan. ;(2)pemadatan , dimana serbuk dikompaksi di dalam
cetakan dengan menggunakan dua penekan;(3)Pengeluaran,
di mana green
compact dikeluarkan dari cetakan . Ketiga tahapan perlakuan serbuk diatasakan
menentukan sifat-sifat green body akhir . Oleh karena itu, perlakuan mekanik
serbukpada setiap tahap sangat penting dan telah menarik perhatian yang
signifikan selama beberapa dekade terakhir .
Berdasarkan gerakan penekan , proses pemadatan dapat dibagi menjadi
dua fase : kompresi dan dekompresi . Selama kompresi , penekan atas bergerak ke
arah penekan bawah , kemudian serbuk mengalami densifikasi intensif dan
partikel serbuk bergerak bersama untuk membentuk agregat dengan kekuatan
kohesif yang cukup karena gaya Van Der Walls (G. Alderborn, 1996). Banyak
penelitian sebelumnya telah berkonsentrasi pada hubungan antara kepadatan
relatif
dan
meningkatnya
1961). Hubungan
ini
tekanan
tergantung
kompaksi
bahan
dan
(R.W.Heckel,K.Kawakita,
dianggap
sebagaiukuran
kompresibilitas bahan. Sejumlah model telah dikembangkan dan dimodifikasi
untuk mengkarakterisasi kompresibilitas serbuk lebih akurat (G.Alderborn,1996.
J.T. Carstensen, 1990). Meskipun belum ada bukti langsung dari mekanisme
densifikasi yang dilaporkan, sering dianggap bahwa penataan partikel dan susunan
25
Universitas Sumatera Utara
butiran adalah perilaku dominan akibat tekanan kompaksi yang rendah. Faktor
peningkatan tekanan dan deformasi elastis dari partikel menjadi faktor dominan.
Dalam industri pembuatan magnet salah satu faktor yang paling penting
diperhatikan adalah struktur alat cetak ( punch dies). Desain struktur cetakan
(punch dies) akan mempengaruhi sifat mekanis suatu green body. IndustriIndustri pembuatan magnet menggunakan alat cetak(punch dies) dengan desain
yang optimal untuk memperoleh green body yang kegagalannya serendah
mungkin. Untuk dapat mencapai kebutuhan industri, diperlukan desain punch dies
dengan kegagalan proses kompaksi kurang dari 2%.
Di Indonesia studi yang mempelajari desain terhadap green compact
sangat jarang dilakukan. Hal ini sangat wajar sehingga sistem punch dies pada
umunya diperoleh dari produk import. Untuk mempelajari efek desain punch dies
terhadap green compact, pada penelitian ini dilakukan studi efek kehalusan
permukaan cetakan dan berbagai variasi proses kompaksi. Diharapkan studi ini
dapat memperoleh data-data penting pada pengembangan desain punch dies di
Indonesia. Sehingga Diharapkan peneliti- peneliti Indonesia dapat memproduksi
punch dies yang berkualitas secara lokal di masa mendatang.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana efek tekanan, waktu penahanan, massa sampel, diameter alat
penekan, dan kehalusan permukaan alat cetak pada kompaksi ?
2. Bagaimana efek SingleuniaxialPressing dan Doubleuniaxial
pressingterhadap terbentuknya retakan?
3.
Bagaimana bentuk-bentuk retakan yang terbentuk pada drop testdan
darimana asalnya ?
4. Bagaimana efek kecepatan pemanasan sinteringdan suhu awal
sinteringterhadap retakan ?
26
Universitas Sumatera Utara
1.3 Batasan Masalah
Untuk membatasi masalah yang akan dibahas dalam penelitian ini, makadiberikan
batasan masalah sebagai berikut :
1. Serbuk yang digunakan adalah Ba-Sr Hexaferrite buatan china dengan
ukuran partikel 21,40μm.
2. Temperatur drying adalah 800C.
3. Variasi kompaksi antara lain sebagai berikut :
•
Variasi Tekanan [3000 PSI (21.000 Kpa), 4000 PSI (28.000 Kpa),
•
dan 5000 PSI (35.000 Kpa)]
•
dan 10 menit
•
•
•
Variasi Waktu Penahanan ( 1 menit, 2.5 menit, 5 menit ,7.5 menit
Variasi Jumlah sampel ( 2 gr, 4 gr, 6 gr, 8 gr dan 10 gr )
Variasi Struktur Permukaan Alat Cetak (Halus 50 μm dan Kasar
200μm)
Variasi Diameter Alat Penekan (φ1 = 1,6 cm dan φ 2 = 1 cm)
Variasi
Arah
Penekanan
(SingleuniaxialPressing
dan
Doubleuniaxial pressing)
4. Suhu sintering yang digunakan adalah 1100 0C, T
Holding
= 1 Jam, Variasi
kecepatan pemanasan ΔT = 50C/min, 100C/min dan 150C/min dan Suhu
awal 250C, 2500C.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai pada tugas akhir ini adalah:
1. Untuk mengetahui efek kualitatif tekanan, waktu penahanan, massa
sampel, struktur permukaan cetakan, dan diameter penekan pada
kompaksi terhadap terbentuknya retakan yang diukur dari kesempurnaan
hasil cetakan.
2. Untuk mengetahui efek SingleuniaxialPressing dan Doubleuniaxial
pressingterhadap terbentuknya retakan
27
Universitas Sumatera Utara
3.
Untuk mengetahui efek kecepatan pemanasan dan suhu awal pada proses
sintering terhadap terbentuknya retakan.
4. Untuk mengetahui desain kompaksi yang baik.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dilakukannya penelitian ini adalah:
1. Dapat mengetahui faktor- faktor penyebab terjadinya retak (crack) pada
green body dan hasil sinter magnet Ba-Sr Hexaferrite.
2. Dapat mengetahui proses kompaksi yang baik dan benar sehingga
diperoleh green body yang bagus.
3. Dapat membuat alat cetak dengan desain khusus dan biaya yang murah
untuk mendapatkan green body yang bagus.
1.6 Tempat Penelitian
Penelitian untuk tugas akhir ini dilakukan di Pusat Penelitian Fisika(PPF),
Lembaga
Ilmu
Pengetahuan
Indonesia
(LIPI)
Kawasan
PUSPIPTEK
Serpong,Tangerang Selatan, Indonesia
1.7 Sistematika Penulisan
Penulisan Laporan tugas akhir ini terdiri dari lima bab dengan sistematika sebagai
berikut :
Bab 1
Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah yang
akan diteliti, tujuan penelitian, manfaat penelitian, tempat
penelitian dan sistematika penelitian.
Bab 2
Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan
untuk proses pengambilan data, analisa data, serta pembahasan dari
penelitian yang dilakukan.
28
Universitas Sumatera Utara
Bab 3
Metodologi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian, diagram
penelitian( prosedur penelitian), dan karakterisasi cuplikan yang
dilakukan.
Bab 4
Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa data
yang diperoleh dari penelitian.
Bab 5
Kesimpulan
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari
penelitian dan saran untuk penelitian lebih lanjut.
29
Universitas Sumatera Utara