metalurgi serbuk

I PENDAHULUAN

I.1 Definisi Metalurgi Serbuk

Metalurgi serbuk merupakan proses pembentukan benda kerja komersial( baik yang jadi

ataupun setengah jadi) 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. Pemanasan selama

proses penekanan atau sesudah penekanan yang dikenal dengan istilah sinter menghasilkan

pengikatan partikel halus. Dengan demikian kekuatan dan sifat-sifat fisis lainnya meningkat.

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.

Serbuk logam jauh lebih mahal harganya dibandingkan dengan logam padat dan

prosesnya, yang hanya dimanfaatkan untuk produksi massal sehingga memerlukan die dan mesin

yang mahal harganya.

I.2 Sifat-Sifat Khusus Serbuk Logam

1. Ukuran Partikel

Ukuran partikel haruslah tidak terlalu panjang dan tidak terlalu pendek. Partikel yang

terlalu panjang tidak menunjukkan struktur yang diinginkan yang sering menjadi alasan

dalam memilih rute serbuk. Partikel yang terlalu kecil juga sulit ditangani dan cenderung

menumpul. Metoda untuk menentukan ukuran partikel antara lain dengan pengayakan

atau pengukuran mikroskopik.

2. Bentuk Partikel

Merupakan faktor yang dalam menentukan pemrosesan dan dibahas dalam ISO Standart

3252.Bentuk partikel serbuk tergantung pada cara pembuatannya, dapat bulat, tidak

teratur, dendritik, pipih atau bersudut tajam.

3. Sebaran Ukuran Partikel

Dianalisis dengan melewatkan serbuk melalui serangkaian saringan dari ukuran lubang

yang dikurangi secara berangsur-angsur (peningkatan jumlah lubang persatuan luas).

Fraksi partikel- partikel yang melewati saringan tertentu diberikan dalam presentase

(biasanya % berat). Ukuran saringan dinyatakan dalam jumlh mesh (untuk jumlah mesh

50 atau lebih,diameter partikel dalam millimeter ,adalah 15 dibagi dengan jumlah mesh).

Dengan sebaran ukuran partikel ditentukan jumlah partikel dari setiap ukuran standar

dalam serbuk tersebut. Pengaruh sebaran terhadap mampu alir, berta jenis semu dan

porositas produk cukup besar. Sebaran tidak dapat diubah tanpa mempengaruhi ukuran

benda tekan.

4. Mampu Alir

Mampu alir merupakan karakteristik yang menggambarkan alir serbuk dan kemampuan

memenuhi ruang cetak. Dapat digambarkan sebagai laju alir melalui suatu celah tertentu.

5. 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.

6. 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.

7. Berat Jenis Curah

Berat jenis curah atau berat jenis serbuk dinyatakan dalam kilogram per meter kubik.

Harga ini harus tetap, agar jumlah serbuk yang mengisi cetakan setiap waktunya tetap

sama.

8. Sinter

Sinter adalah proses pengikatan partikel melalui proses penekanan dengan cara

dipanaskan 0.7-0.9 dari titik lelehnya.

Untuk lebih jelasnya mengenai karakteristik dan sifat partikel akan dijelaskan dalam tabel

sebagai berikut:

II

PROSES PEMBUATAN METALURGI SERBUK

Langkah-langkah dasar pada powder metallurgy:

1. Pembuatan Serbuk.

2. Mixing.

3. Compaction.

4. Sintering.

5. Finishing.

2.1 Pembuatan Serbuk

Ada beberapa cara dalam pembuatan serbuk antara lain: decomposition, electrolytic

deposition, atomization of liquid metals, mechanical processing of solid materials.

1. Decomposition, terjadi 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.

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 dendritic

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 banyak proses pembuatan serbuk proses yang paling sering di pakai adalah

proses atomisasi.

(a).atomisasi air atau gas,(b). atomisasi sebtrifugal (c)proses elektroda putaran

a. Atomisasi Air

Air tergolong untuk kuantitas besar. Leburan cair yang muncul dari sebuah nosel

diuraikan dengan pancaran atau semburan air.(gambar a). Proses ini digunakan untuk

baja paduan rendah,baja tahan karat,paduan Cu dan Ni dan Sn. Ukuran dan bentuk

partikel dapat diubah dengan mengendalikan parameter proses ,namun serbuk logam

selalu teroksidasi.

b. Atomisasi Gas

Ditunjukkan (gambar a) menghasilkan serbuk-serbuk bulat. Bila oksidasi diperbolehkan

atau oksida yang terbentuk kemudian dapat dikurangi ,maka atomisasi udara sudah cukup

sesuai.(Al,Cu,Sn).

c. Atomisasi Sentrifugal

Ditunjukkan oleh (gambar b)didasarkan pada pengarahan aliran leburan pada sebuah

cakram putar(cil). Dalam proses elektroda putar ,paduan yang diatomisasi berada pada

bentuk elektroda yang berputar cepat (15.000putaran/menit),yang secara perlahan

melebur karena busur listrik atau busur plasma helium(gambar c).

2.2 Mixing( Pencampuran Serbuk)

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

2.3 Compaction (Powder Consolidation)

Compaction adalah salah satu cara untuk memadatkan serbuk menjadi bentuk yang

diinginkan. 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.

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.

Pres meja putar mempunyai laju produksi yang tinggi, karena dilengkapi dengan serangkaian

lubang die, yang masing-masing dilengkapi dengan ponds atas dan bawah. Selama produksi meja

berputar, operasi pengisian, penekanan dan pengeluaran produk berlangsung secara bertahap.

Pada gambar 9.2, tampak susunan ponds dan die yang sederhana untuk memadatkan serbuk

logam. Ada dua penekan, penekan atas yang sesuai dengan bentuk bagian atas dari benda dan

penekan bawah yang sesuai dengan bentuk die bagian bawah.

Penekan bawah sekaligus berfungsi sebagai ejector untuk mengeluarkan benda yang telah

dicetak. Ruang die harus halus untuk mengurangi gesekan dan harus tirus sedikit untuk

memudahkan pengeluran benda. Gesekan dinding akan mengurangi tekanan ke serbuk dan bila

tekanan bekerja pada satu sisi saja, dalam benda itu sendiri akan timbul perbedaan berat jenis

(dari atas ke bawah). Oleh karena itu digunakan penekan baik atas maupun bawah.

2.4 Sintering

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 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.

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)

Densitas seringkali dijaga tetap rendah untuk menghindari interkoneksi porositas pada

bantalan,filter,penghalang suara,dan elektroda baterai atau bila komponen-komponen yang

memerlukan infiltrasi. Metlurgi serbuk menawarkan peluang-peluang unik untuk menghasilkan

sifat-sifat yang dibutuhkan. Porositas yang masih tersisa menyebabkan padatan – padatan hasil

penyinteran lebih kasar dibandingkan dengan cetakan padatanya.

III

KELEBIHAN DAN KEKURANGAN

Keuntungan Powder Metallurgy

a. kontrol kuntitatif yang baik, presisi yang tinggi, tidak diperlukan banyak penyelesaian

akhir.

b. Proses powder metallurgy dapat menghasilkan karbida sinter, bantalan poros dan produk

bimetal yang terdiri dari lapisan serbuk logam yang berbeda

c. Produk yang dihasilkan dapat sekecil mungkin dengan toleransi yang ketat dan permukaan

yang halus dalam jumlah banyak dan dapat bersaing dengan produk-produk permesinan

lain nya.

d. Proses ini sangat ekonomis, sebab tidak ada bahan yang terbuang selama proses produksi

e. Upah buruh relatif murah, karena tidak dibutuhkan “skill” yang tinggi.

Kekurangan Powder Metallurgy

a. diperlukan biaya yang tinggi dan terbatas untuk produk yang ukurannya kecil oleh (James

M. Gere, 1987).

b. Peralatan-peralatan yang digunakan, relatif berharga mahal

c. Beberapa jenis produk tertentu, tidak dapat dibuat secara ekonomis, karena keterbatasan

kapasitas mesin press dan ratio kompressi berbagai jenis serbuk, yang bisa berakibat

kepadatan benda kerja tidak merata.

d. Bentuk-bentuk produk yang sulit, tidak dapat dibuat, karena selama proses penekanan/

pemampatan, serbuk logam tidak mampu mengalir mengisi rongga cetakan

e. Beberapa jenis serbuk logam yang halus, merupakan sumber bahaya ledakan/kebakaran.

f. Serbuk metalurgi, relatif mahal harganya dan sulit untuk menyimpan nya karena mudah

sekali terkontaminasi dengan lingkungan sekitar nya.

g. Peralatan-peralatan yang digunakan, relatif berharga mahal

h. Beberapa jenis produk tertentu, tidak dapat dibuat secara ekonomis, karena keterbatasan

kapasitas mesin press dan ratio kompressi berbagai jenis serbuk, yang bisa berakibat

kepadatan benda kerja tidak merata.

i. Bentuk-bentuk produk yang sulit, tidak dapat dibuat, karena selama proses penekanan/

pemampatan, serbuk logam tidak mampu mengalir mengisi rongga cetakan

j. Beberapa jenis serbuk logam yang halus, merupakan sumber bahaya ledakan/kebakaran.

IV

PERTIMBANGAN DESAIN POWDER METAL

Karena keunikan sifat dari serbuk logam, karakteristik aliran mereka dalam cetakan dan

kerapuhan dari pemadatan, ada prinsip desain tertentu yang harus diikuti.

1. Bentuk pemadatan harus dijaga sesederhana mungkin dan menyatu mungkin. Perubahan

bentuk dalam kontur, variasi dan ketebalan dan panjang tinggi sampai rasio diameter harus

dihindari.

2. Ketentuan harus dibuat untuk penolakan pemadatan dari cetakan tanpa merusak pemadatan.

Karenanya, lubang atau ceruk harus diparalelkan pada sumbu penumbukan. Chamfer juga

harus diberikan untuk menghindari kerusakan pada tepi selama penyuntikan.

3. Bagian P/M harus dibuat dengan toleransi dimensi yang paling luas (konsisten dengan

aplikasi) dengan tujuan meningkatkan masa pemakaian alat dan mengurangi biaya produksi.

4. Bagian dinding harus tidak kurang dari 1.55 mm ketebalan ; bagaimanapun, dengan perawatan

khusus, dinding setebal 0.34 mm dapat ditekan pada komponen 1 mm panjang. Dinding

dengan rasio ketebalan lebih dari 8 : 1 sulit ditekan dan variasi densitas dapat dihindari.

5. Langkah-langkah sebagian dapat dihasilkan jika mereka sederhana dan ukurannya tidak

melebihi 15 % dari keseluruhan panjang. Langkah yang lebih besar dapat ditekan, tetapi

membutuhkan yang lebih kompleks, alat dengan gerakan ganda.

6. Huruf dapat ditekan jika mereka berorientasikan tegak lurus pada arah penekanan dan dapat

ditingkatkan atau dikurangi. Peningkatan lebih dapat diterima pada kerusakan dalam tahapan

dan juga mencegah kerusakan selama proses sintering.

7. flensa atau overhang dapat diproduksi dengan langkah dalam cetakan. Bagaimanapun,

panjang flensa dapat patah sampai pengusiarn dan memebutuhkan lebih banyak alat. Flensa

panjang harus disertai dengan flang, radius pada bagian bawah dan radius pada titik waktu

dari flens dan / atau komponen badan untuk mengurangi konsentrasi tekanan dan fraktur.

8. Pada radius sebenarnya tidak dapat ditekan pada tepi bagian karena akan membutuhkan

penumbukan (yang sangat lancip) pad aketebalan nol seperti yang ditunjukkan dalam

Gambar 17.21d. Talang atau flat lebih disukai untuk penekanan, dan sudut 45o dalam 0.25

mm adalah desain yang umum.

9. Kunci, dan lubang selalu digunakan untuk mengubah momen pada gigir dan katrol yang dapat

dibentuk selama pemadatan serbuk. Bos dapat diproduksi dari draft yang diberikan

digunakan dan panjang mereka relative kecil dengan semuanya.

10. Takik dan alur dapat dibuat jika mereka diorientasikan tegak lurus dengan arah penekanan.

Dianjurkan bahwa alur tidak melebihi kedalaman 20% dari keseluruhan komponen, dan alur

harus tidak melebihi 15%.

11. Bagian yang dihasilkan melalui pengecoran suntikan serbuk memiliki batasan desain yang

sama seperti dengan suntikan pemuaian polimer. Dengan PIM, ketebalan dinding harus sama

untuk meminimalkan distorsi selama proses sintering. Juga, pengecoran harus dirancang

dengan transisi ringan untuk mencegah akumulasi serbuk dan untuk memungkinkan

kontribusi yang seragam dari serbuk logam (Gambar 17.23).

12. Toleransi dimensi bagian P/M biasanya pada ± 0.05 sampai 0.1 mm. Toleransi meningkat

secara signifikan dengan tambahan pengoperasian,s eperti pengukuran, proses dengan mesin dan

penggilingan.

DAFTAR PUSTAKA

Schey,John.2009.Proses Manufaktur.Yogyakarta:Andi.

Seprianto,Dicky.2010. Perancangan Alat Blending/Mixing Menggunakan Perangkat Lunak Cad

Autodesk Inventor Profesional. Austenit.3(1):55-56

Murjito.2010.Penerapan Teknologi Powder Metalurgi Untuk Pembuatan Komponen Mesin

Berbasis Pasir Besi Lokal. Jurnal Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin UMM .(online),

(http:// research-report.umm.ac.id) diakses pada tanggal 18Maret 2013.

ITS,FTI.2007.Laporan Tugas Akhir Powder Metallurgy.(online),

(http://digilib.its.ac.id) diakses pada tanggal 18 Maret 2013.

MAKALAH

METALURGI SERBUK

Oleh:

Mega Puspita Audina

125060701111019

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

2012