Proses Pembuatan dan Pemanfaatan Komposit Tungsten Carbide-Cobalt

Sebagai Komponen Otomotif dan Perkakas Pemotong

Anggota Kelompok :

Daniel Wilhelmus Adityatama (0906513384)

Eric Tanoto (0906556515)

Hadi Sahal Fadly Daulay (0906513453)

Hendri (0906633344)

Melissa Niken Wincana (0906633483)

Muhammad Ikhwan (0906633501)

Rizky Nurdin (0906633571)

DEPARTEMEN TEKNIK METALURGI DAN MATERIAL

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

2012

Daftar Isi

Halaman Judul…………………………………………………………………. i

Daftar Isi………………………………………………………………………..ii

Abstrak…………………………………………………………………………iii

Bab I Pendahuluan……………………………………………………………...1

Bab II Isi………………………………………………………………………..5

Bab III Kesimpulan……………………………………………………………11

Daftar Pustaka…………………………………………………………………12

Abstrak

Perkembangan dunia material sekarang ini melaju dengan pesat. Demi mendapatkan sifat-sifat material yang unggul, perkembangan komposit menjadi suatu tantangan yang harus dihadapi. Salah satu bidang penerapan komposit-komposit tersebut yaitu pada komponen tahan aus yang bukan hanya membutuhkan kekuatan melainkan ketangguhan. WC-Co sebagai komposit bermatriks keramik dengan reinforcement cobalt dapat dijadikan suatu acuan dalam penerapan komposit di bidang komponen tahan aus. Proses pembuatan yang berbasiskan pencampuran, karburisasi dan dilanjutkan dengan coating. Penerapannya luas di dalam komponen-komponen tahan aus dan dioperasikan pada temperatur yang ekstrim. Suatu pembahasan dan penelitian lebih lanjut diperlukan dalam menghasilkan suatu proses pembuatan yang efisien sehingga baik secara langsung maupun tidak langsung dapat memperluas ranah penerapan komposit WC-Co.

Bab I

Pendahuluan

WC-Co composite sering digunakan sebagai material cutting tool, dan memiliki sifat yang merupakan kombinasi dari ketahanan aus Tungsten Carbide (WC) dengan peningkatan toughness dari Cobalt (Co). Seringkali Ti ditambahkan kedalam sistem komposit untuk membentuk TiC atau TiN yang meningkatkan kekerasan, ketahanan oksidasi maupun aus. Kekerasan meningkatkan peran penting dalam material cutting tool, sebuah investigasi menemukan bahwa kekerasan menurun seiring peningkatan butir WC dan peningkatan kandungan Co. Terjadi peningkatan linear dari kekerasan yaitu dengan memperkecil ukuran butir WC dari 6 ke 1 µm dan penurunan kandungan Co. Nilai kekerasan Rockwell menurun dari 93 ke 43 untuk sampel dengan tidak ada Co dan 90 vol.% Co. Namun untuk fracture toughness akan meningkat seiring dengan peningkatan kandungan Co dan meingkatkan ukuran butir WC (dari 0.5 ke 9 µm)

Untuk melihat kecenderungan komposit WC-Co kita melakukan percobaan dengan dua buah sampel dengan komposisi sebagai berikut :

Dengan komposisi diatas merupakan berbentuk powders. Co diharapkan akan terlarut sempurna pada W dan C yang bervariasi terhadap kedalaman proses difusi. Struktur mikro dari kedua material tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini, terdapat graded zone yang mengandung variasi WC serta variasi kedalaman Co yang dikontrol oleh proses difusi.

Gambar diatas merupakan cross-section dari (a) FGM68 dan (b) FGM39 (dietsa dengan reagen murakami). Area yang terang menggambarkan area yang lemah dan area gelapmenggambarkan WC, Co dan TiC.

Tabel 1. Komposisi starting powders yang digunakan memproduksi fuctionallly graded material

Gambar 1. Cross-section of (a) FGM68 and (b) FGM39 (etched with Murakami’s reagen) reagent).

Berikut ini adalah optical micrograph yang umum dari WC-Co composite.

Dari gambar di atas kuning gelap menggambarkan butir WC dan kuning terang merupakan fasa Co. Sehingga dalam komposit kita mengenal adanya dua interface yaitu : WC/Co interface dan WC/WC grain boundaries.

Selayaknya komposit lainnya, WC-Co digabungkan untuk mendapatkan suatu material yang memiliki kelebihan masing-masing dari Tungsten karbida dan Cobalt. Berikut merupakan data yang menunjukkan sifat-sifat yang dimiliki oleh kedua material tersebut

Kekerasan

gambar 2. Typical optical micrograph dari WC-Co compositeGambar 2. Mikrostruktur WC-Co

Tabel 2. Sifat fisika dan kimia dari Tungsten Karbida dan Cobalt

Kekerasan pada WC-Co tidak hanya dipengaruhi oleh kandungan tetapi juga dipengaruhi dari tingkat porositas dan mikrostrukturnya. Kekerasan pada WC-Co juga dipengaruhi oleh kandungan cobalt dan ukuran butir dari tungsten carbide.

Dari grafik di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa pada saat ukuran butir tungsten carbide kecil dan kandungan cobalt diturunkan, kekerasan dari WC-Co meningkat.

Modulus Young

(a) (b)

Gambar 3. Grafik pengaruh kandungan kobalt terhadap kekerasan WC-Co

Gambar 4. (a) Grafik pengaruh ukuran butir terhadap Modulus Young (b) Grafik pengaruh kandungan Co terhadap Modulus Young

Bisa dilihat dari kedua grafik diatas dimana untuk pengaruh ukuran butir WC terhadap modulus young, pada saat butir berukuran 3 sampai 23 mikro, modulus young berada di sekitar 570 GPa, lalu setelah ukurannya bertambah diatas 23 mikro modulus youngnya menurun. Untuk kandungan cobalt dimana dengan penambahan cobalt akan mempengaruhi dari modulus young sehingga modulus young menurun seiring penambahan cobalt.

Densitas

Sebagaimana kita ketahui densitas akan mempengaruhi sifat dari suatu material. Pada WC-Co ini densitasnya dilihat dari masing-masing unsurnya, untuk besar densitas WC adalah 15.7 g/cm3 dan cobalt sebesar 8.9 g/cm3 . Densitas dari WC-Co ini lebih besar 50-100% daripada baja. Kandungan Co akan mempengaruhi dari densitas WC-Co dimana apabila kandungan Co besar akan menurunkan densitas dari WC-Co tersebut.

Kekuatan tekan dan fatik

Kekuatan tekan pada WC-Co akan meningkat pada saat ukuran butir menurun dan kandungan Co nya rendah, besar kekuatan tekannya adalah 7000 N/mm2. Compressive Strength WC-Co menurun seiring dengan pertambahan % Co.

(a) (b)

Kekuatan fatik akan menurun dengan semakin banyaknya pembebanan berulang yang diberikan kepada WC-Co.

Permeabilitas

Meskipun WC-Co mengandung fasa pengikat feromagnetik, biasanya WC-Co ini memiliki permeabilitas magnetic yang rendah, ini ditingkatkan dengan kandungan cobalt ddengan kisaran 2-12 ketika nilai vakum sama dengan 1.

Gambar 5. (a) Grafik compressive strength WC-Co (b) Grafik compressive fatigue strength WC-Co

Bab II

Isi

Proses pembuatan komposit tungsten carbide tersebut sebagai berikut :

1) Pencampuran carbon (dalam bentuk grafit umumnya), logam tungsten, dan oksida logam matrix (biasanya cobalt)

2) Memanaskan campuran tersebut (proses karburisasi untuk mensenyawakan tungsten dengan carbon)

3) Melakukan pencampuran dengan menggunakan ball mill

Kekuatan dan kekerasan dari cemented tungsten carbide yang ingin diperoleh sangat bergantung kepada ukuran dari butiran tungsten carbide yang terbentuk, dan seberapa lama dan seberapa panas proses pencampuran tungsten dengan karbon dilakukan. Partikel dari tungsten carbide tidak lebih besar dari butiran pasir, dengan ukuran umumnya berkisar dari 0.5 mikron sampai 10 mikron. Setelah terbentuk butiran – butiran tungsten carbide kemudian butir-butir tungsten karbida siap untuk dicampur dengan matrix cobalt.

Tungsten carbide yang ada kemudian dicampur dengan bahan lain yang diperlukan seperti logam cobalt. Serbuk cobalt yang ada akan berfungsi sebagai matrix yang akan mengikat butiran tungsten carbide. Pada fase ini beberapa material lain seperti TiC (Titanium Carbide), TaC (Tantalum Carbide), dan NbC (Niobium Carbide) biasa ditambahkan untuk meningkatkan properties material saat beroperasi sebagai cutting tools. Tanpa adanya penambahan senyawa senyawa tersebut dapat bereaksi dengan besi (apabila saat digunakan untuk memotong logam – logam ferrous).

Proses Pencampuran

Semua bahan – bahan yang sudah ada tersebut kemudian ditambahkan dengan cairan seperti alcohol atau heksana untuk kemudian dicampur ke dalam tempat pemcamuran yang biasanya berbentuk drum berputar yang lazim dikenal dengan ball mill. Selain campuran di atas, pada ball mill juga umumnya ditambahkan bola – bola cemented carbide untuk menggerus dan mengecilkan ukuran butiran tungsten carbide. Tujuan dari pencampuran dari ball mill ini selain untuk menghaluskan ukuran tungsten carbide yang ada juga digunakan untuk memberikan persebaran yang lebih merata atara campuran tungsten carbide dengan logam cobalt yang akan digunakan. setelah pencampuran selesai dilakukan, cairant yang ditambahkan tadi harus dihilangkan dari campuran, umumnya menggunakan alat berupa spray dryer yang menyemprotkan gas – gas inert seperti nitrogen atau argon sehingga akan membantu mempercepat pengeringan campuran tungsten carbide tadi yang sekarang telah berbentuk seperti

butiran halus pasir. Setelah selesai dicampur, biasanya pada butiran halus tungsten carbide yang telah dicampur ditambahkan wax sebagai binder dan juga membuat semacam lapisan pada pasir yang akan membuat mereka tidak akan lengket pada permukaan sebelum proses.

(a) (b)

Proses Sintering

Setelah dilakukan pencampuran dan pemberian wax, untuk alat potong biasanya sebelum dilakukan sintering akan dilakukan pressing untuk forming pembentukan bentuk produk yang akan dibuat. Proses pressing ini dilakukan di dalam mold khusus yang telah memperhitungkan penyusutan volume yang terjadi akibat kompaksi butiran tungsten carbide tersebut. Setelah dilakukan pressing, tungsten carbide tadi dikeluarkan dari mold dan diletakkan ke atas wadah yang terbuat dari grafit atau molybdenum, dan dimasukkan ke tungku sintering untuk dipanaskan pada suhu 1100 – 1300 o C pada kondisi tekanan rendah dengan atmosfer kaya hidrogen.

Dengan adanya pemanasan ini, logam cobalt yang ditambahkan akan meleleh dan ,mengikat butiran – butiran tungsten carbide sehingga memadat dan terjadi reduksi volume menjadi lebih kecil. Proses ini dilakukan sampai semua serbuk cobalt yang ada meleleh dan mengikat butiran tungsten carbide yang memiliki melting point yang lebih tinggi. Setelah selesai dilakukan sintering tungsten carbide yang mengeras tadi dikeluarkan dari dalam tungku dan didinginkan, diperolehlah produk cemented tungsten carbide yang sangat keras dan padat. Setelah terbentuk produk tungsten carbide as-sintering tadi dilakukan quality control untuk mengecek dimensi serta dilakukan machining atau trimming untuk memperoleh ukuran yang tepat, walaupun pada beberapa produk ada yang tidak dilakukan machining dan cutting ulang untuk didistribusikan as-sintering ke industri.

Gambar 6. (a) Skema pencampuran dalam pembentukan WC-Co (b) Ilustrasi pencampuran powder WC-Co

Coating

Untuk memperpanjang masa pakai alat pada kondisi potong yang beragam, banyak jenis dan kombinasi coating yang telah dikembangkan. Coating dapat dilakukan dengan dua cara: dengan deposisi uap kimia (Chemical Vapor Deposition/CVD) atau deposisi uap fisik (Physical Vapor Deposition/PVD).

1) Chemical Vapor Deposition

Untuk CVD, ketebalan coating biasanya berkisar 5-20 mikron. Pada aplikasi penggilingan dan pengeboran biasanya digunakan ketebalan 5-8 mikron, dikarenakan operasi tersebut membutuhkan permukaan akhir yang baik dan alat-alat tersebut akan menghadapi beban impak yang lebih besar, sehingga alat-alat tersebut membutuhkan ketangguhan permukaan yang lebih baik. Pada aplikasi pembentukan alat, coating biasanya berada dalam rentang 8-20 mikron. Pada proses tersebut, panas dan abrasi menjadi hal yang lebih diperhatikan.

Kebanyakan, tetapi tidak semua, coating CVD tersusun dari beberapa lapisan, biasanya tiga lapisan yang berbeda. Setiap perusahaan memiliki “resep” masing-masing untuk coating. Berikut merupakan skema khas dari tiga lapisan penyusun tersebut:

• Satu lapis titanium carbo-nitride untuk kekerasan dan ketahanan abrasi.• Satu lapis aluminum oksida, yang mempertahankan kekerasan pada

temperatur tinggi dan sangat stabil secara kimia. Lapisan ini penting pada aplikasi kecepatan tinggi.

• Satu lapis titanium nitride, yang mencegah penggabungan logam dari fragmen-fragmen hasil pengelasan pada alat. Coating ini berwarna emas dan membuatnya mudah untuk mengidentifikasi aus pada tepi alat.

Untuk mengaplikasikan coating CVD, alat ditempatkan pada penampan dan ditutup di dalam tanur. Tanur kemudian dikondisikan menjadi vakum. Gas yang sesuai dimasukkan ke dalam tanur untuk setiap lapisan, seperti hidrogen, titanium tetrachloride, metana, nitrogen, dan aluminum chloride. Reaksi kimia yang terjadi akan membuat lapisan deposisi coating pada permukaan alat.

1) Physical Vapor Deposition

Ketebalan coating PVD umumnya berkisar 2-4 mikron. Perusahaan yang berbeda akan menggunakan jumlah lapisan yang berbeda. Coating PVD cocok diaplikasikan pada pemotongan temperatur tinggi, material

nickel-based, cobalt-based atau titanium-based, dan terkadang baja dan stainless steel.

Titanium carbo-nitride, titanium nitride dan titanium aluminum nitride digunakan secara luas pada coating PVD. Lapisan terluar adalah coating PVD dengan lapisan yang paling keras dan paling stabil secara kimia.

Alat disusun pada rak yang terpisah satu sama lain. Setiap rak akan berputar dan seluruh rangkaian rak berputar mengitari tanur, sehingga seluruh permukaan alat akan terekspos pada proses deposisi.

Muatan negatif yang sangat kuat diaplikasikan pada alat. Sepotong titanium, atau titanium dan aluminum dipasang di dinding atau dasar tanur. Logam kemudian diuapkan dengan busur listrik atau tembakan elektron sehingga membebaskan ion logam yang bermuatan positif. Ion-ion ini akan tertarik pada alat yang bermuatan negatif. Nitrogen dan metana ditambahkan untuk mencapai coating dengan tipe yang berbeda-beda. Ketika alat dikeluarkan dari tanur, alat-alat tersebut dapat ditanahkan kembali, atau langsung dikemas dan dikirim.

Perusahaan manufaktur alat potong menghadapi tantangan berupa peningkatan umpan dan kecepatan, juga kebutuhan akan masa pakai alat yang lebih panjang dan biaya produksi yang lebih rendah dengan cara meningkatkan desain alat potong tungsten carbide secara terus-menerus dan mengembangkan teknologi coating yang semakin baik.

Penggunaan Cemented Carbide

1. PartsKomponen karbida dapat menaikkan produksi aplikasi pada aplikasi

di bidang metal-cutting, teknik mineral, pertambangan, dan sipil, agrikultur, pemrosesan makanan dan tekstil, dll. Namun untuk industri luar angkasa membutuhkan performance yang berbeda dibandingkan untuk industri-industri di atas dengan tingkatan tertinggi dari operasionalnya.

Cemented carbide juga dipilih untuk aplikasi sebagai bearing parts dari helikopter, pompa bahan bakar dan komponen hidrolik pada mesin jet. Komponen cemented carbide juga dipilih untuk tahan aus di beberapa aspek pada pemrosesan makanan. Nozzle dan homogenizer karbida digunakan pada sektor perusahaan susu, bagian crusher carbide untuk produksi cocoa dan sebagai pisau pemotong. Contoh lain adalah recycling dan transformasi barang bekas menjadi bahan mentah sekunder yang dapat dimasukkan lagi ke proses manufaktur.

Sandvik Hard Materials menyediakan parts dari cemented carbide untuk mesin daur ulang. Pengunaan cemented carbide ini menjadikannya memiliki umur yang panjang untuk komponen yang digunakan untuk menghancurkan limbah gelas, kayu, plastik, karet, kertas, dll.

Walaupun parts dapat ditemukan pada banyak bagian di industri dan sektor domestik, semuanya memiliki satu hal yang sama: kebutuhan kritis untuk tahan impak, korosi, dan aus.

2. Komponen otomotifCemented carbide tidak umum digunakan pada material otomotif.

Pada kenyataannya, cemented carbide dan cermet memberikan sifat yang luas sehingga membuatnya sangat cocok sebagai tantangan di industri otomotif.

Komponen carbide sudah lama dikembangkan dan dicarikan solusi untuk industri otomotif. Cemented carbide, cermets, dan komponen carbide memberikan industri otomotif solusi dari peralatan carbide untuk variasi yang luas di aplikasi otomotif.

Cemented carbide telah sukses digunakan pada variasi di aplikasi otomotif seperti fuel pumps, fuel injectors, compressors, dan valve kereta. Dengan tekanan biasanya mencapai 1600 bars dan direncanakan untuk dapat naik sampai 2000 bars dan lebih, cemented carbide memberikan beberapa sifat berguna untuk aplikasi-aplikasi ini.

Cemented carbide memberikan ketahanan pada temperatur tinggi, lingkungan korosif, compressive stress yang tinggi, fatigue, dan beberapa kondisi keras lainnya.

3. Carbide Rotary CuttersDalam menggunakan carbide rotary cutter, converting line harus

tidak ada pembatasan pada fungsi cuttingnya (sampai 1800 potongan per menit). Carbide tool membuat komponen carbide lebih keras dan kaku dengan konduktivitas termal yang superior jika dibandingkan dengan baja, sehingga membuat cemented carbide ideal untuk carbide rotary cutters. Carbide rotary cutters juga dapat ditajamkan kembali pada beberapa waktu di umurnya. Sifat cemented carbide membuat carbide rotary cutter melampaui performance cutter konvensional. Tidak ada deformasi pada ujung cutting dan ada kenaikan dari beban potong jika dibandingkan dengan baja. Kemudian tidak ada batas kecepatan karena performance yang kuat pada ujung cutting.

4. Rings dan BushingKetahanan aus, ketangguhan, ketahanan korosi, dan ketahanan

terhadap thermal shock adalah kunci dari sifat material yang dibutuhkan untuk penggunaan yang lama dan fungsi pompa yang sempurna.

Kombinasi unik dari semua sifat material telah membuat cemented carbide adalah material carbide tool yang paling luas digunakan sebagai pump seals dan bearing di sektor limbah, tambang, dan proses. Lebih

lanjut lagi, terdapat potensi yang lebih jauh dalam desain cemented carbide untuk penggunaan yang luas dalam aplikasi di lingkungan.

Sandvik memberikan set sifat-sifat yang komplit:– Kekuatan / ketangguhan yang sempurna yang dapat menjamin

ketahanan aus, erosi, dan shock yang sangat baik– Permukaan yang kuat dan agak kasar (robust)– Koefisien gesek yang rendah dan kekuatan mekanis yang tinggi– Konduktivitas termal yang tinggi dan ketahanan panas yang sangat

baik– Ketahanan untuk handling dan mudah untuk assembly– Mendukung pematrian, assembly mekanis, ketepatan penyusutan,

ketepatan tekan dan pengeleman–

1. Sawing applicationsa. Metal Cutting

Jenis cemented carbide dan cermet memberikan solusi produktivitas bagi pembuat tool untuk aplikasi dan kondisi cutting yang berbeda, umur tool yang sangat baik, dan kemudahan fabrikasi tool. Jenis-jenis ini cocok untuk aplikasi cutting yang luas, misalnya aplikasi cutting logam non-ferrous, dimana pisau dari saw memotong materials sebagai UPVC dan aluminum, seperti untuk aplikasi cutting yang terinetupsi.

b. Wood CuttingJenis cemented carbide dan cermet yang memberikan kualitas

ujung yang telah dinaikkan tanoa pengurangan dari sifat brazing and grinding.

Jenis yang disarankan untuk wood cutting telah dikembangkan dari penelitian dan pengembangan pada sifat cutting yang dibutuhkan untuk circular saws. Melalui pengenalan dari jenis DC (anti-corrosive) dan DH (generasi lebih lanjut), dapat diberikan material yang memiliki performance yang optimum untuk cutting tools.

Bab III

Kesimpulan

Tungsten karbida yang diperkuat oleh Cobalt memiliki kombinasi dari ketahanan aus Tungsten Carbide (WC) dengan peningkatan toughness dari Cobalt (Co). Sebagai salah satu kelemahan dari Ceramic Matrix Composite yaitu

kegetasan dapat ditutupi dengan menggunakan reinforcement Cobalt. Perpaduan kedua material ini menghasilkan WC-Co yang memberikan solusi dalam aplikasi yang membutuhkan kekuatan dan ketangguhan secara bersamaan.

Proses pembuatannya dengan mencampurkan karbon dengan logam tungsten beserta Cobalt. Setelah itu, pemanasan dilakukan hingga karbon dapat berdifusi yang akan berdampak pada terjadinya karburisasi. Setelah itu, pencampuran dibantu dengan ball mill. Demi memperpanjang umur pakai, coating dapat diterapkan pada proses lanjutannya, yaitu dengan CVD ataupun PVD.

Pemanfaatan yang dominan dari WC-Co adalah sebagai komponen yang tahan aus yaitu komponen otomotif dan perkakas pemotong. Kedua aplikasi ini tidak hanya membutuhkan kekuatan melainkan juga ketangguhan hingga material tersebut dapat dipakai dalam jangka waktu yang cukup lama. Kendala yang masih dihadapi adalah harga proses yang masih mahal. Oleh karena itu, pengembangan dari sisi efisiensi proses pembuatan tentunya masih akan menjadi fokus pengembangan WC-Co di masa yang akan datang.

Daftar Pustaka

http://ntp.niehs.nih.gov/files/Hard_MetalsBD-FINAL_(SCG-17Mar09).pdf

http://sino-carbide.com/Upload/PicFiles/2009.11.5_10.51.40_5258.pdf

http://www.allaboutcementedcarbide.com/

http://www.directhotpressing.com/uploads/media/Hard_metal_industry_study.pdf

http://www.nanopartikel.info/cms/lang/en/Wissensbasis/wolframcarbid

http://www.opus.ub.uni-

erlangen.de/opus/volltexte/2009/1546/pdf/Thesis_Ndlovu.pdf

http://www.sandvik.com/sandvik/0130/HI/SE03411.nsf/88c2e87d81e31fe5c1256

ae80035acba/651f6e334db04c46c125707600562c88/$FILE/Cemented

%20Carbide.pdf