Laporan Tugas Akhir

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Metalurgi serbuk.

Metalurgi serbuk merupakan salah satu teknik produksi dengan menggunakan serbuk sebagai material awal sebelum proses pembentukan. Prinsip ini adalah memadatkan sebuk logam menjadi bentuk yang dinginkan dan kemudian memanaskannya di bawah temperatur leleh. Sehingga partikel-partikel logam memadu karena mekanisme transportasi massa akibat difusi atom antar permukaan partikel. Metode metalurgi serbuk memberikan kontrol yang teliti terhadap komposisi dan penggunaan campuran yang tidak dapat difabrikasi dengan proses lain. Sebagai ukuran ditentukan oleh cetakan dan penyelesaian akhir (finishing touch).

Proses metalurgi serbuk adalah merupakan proses pembuatan produk dengan menggunakan bahan dasar dengan bentuk serbuk yang kemudian di sinter yaitu proses konsolidasi serbuk pada temperatur tinggi yang di dalamnya termasuk juga proses penekanan atau kompaksi. Proses metalurgi serbuk memiliki banyak keuntungan antara lain :

1. Efisiensi pemakaian bahan yang sangat tinggi dan hampir mencapai 100%

2. Tingkat terjadinya cacat seperti segregasi dan kontaminasi sangat rendah.

3. Stabilitas dimensi sangat tinggi. 4. Kemudahan dalam proses standarisasi dan otomatisasi 5. Tidak menimbulkan tekstur pada produk. 6. Besar butir mudah dikendalikan 7. Mudah dalam pembuatan produk beberapa paduan khusus

yang susah didapatkan dengan proses pengecoran (casting).

8. Porositas produk mudah dikontrol .

5

Laporan Tugas Akhir

9. Cocok untuk digunakan pada material dengan kemurnian tinggi.

10. Cocok untuk pembuatan material komposit dengan matriks logam. Proses metalurgi serbuk untuk aplikasi magnetik yang

dalam hal ini adalah untuk memproduksi material magnetic lunak (soft magnetic materials) untuk aplikasi arus DC pada peralatan elektronik juga untuk magnet permanent. Dalam beberapa tetapi tidak berarti semua bagian dari aplikasi yang ada diproduksi dengan proses metalurgi serbuk karena metode ini dapat menghasilkan bentuk akhir dengan proses tambahan seperti machining dan grinding minimal pada satu waktu untuk mendapatkan sifat magnet yang diinginkan

2.1.1. Pembuatan Serbuk

Proses pembuatan serbuk bisa di kategorikan melalui tiga macam cara yaitu : secara fisik, secara kimiawi, dan secara mekanik. Pembuatan serbuk secara fisik dapat diibaratkan sebagai proses atomisasi yaitu proses perusakan arus logam cair yang disemprot dengan bahan pendingin yang dalam hal ini dapat berupa cairan atau gas sehingga logam cair berubah menjadi tetesan padat yang berbentuk butiran. Sedangkan pembuatan serbuk dengan cara kimia melibatkan banyak reaksi dekomposisi kimia terhadap senyawa logam ini juga termasuk reaksi reduksi didalamnya. Pembuatan serbuk secara mekanik secara umum dapat dilakukan pada logam – logam yang bersifat getas sehingga mudah dihancurkan dengan diberikan gaya tekan dan dijadikan serbuk.

6

Laporan Tugas Akhir

Pembuatan serbuk

Pencampuran

Kompaksi

Sintering

Operasi sekunder

Produk Jadi

Pra Sintering

Penekanan Ulang

Gambar 2.1 Skema proses metalurgi serbuk.

2.1.2. Sifat-Sifat Khusus Serbuk Logam 1. Ukuran Partikel

Metoda untuk menentukan ukuran partikel antara lain dengan pengayakan atau pengukuran mikroskopik. Kehalusan berkaitan erat dengan ukuran butir, faktor ini berhubungan dengan luas kontak antar permukaan, butir kecil mempunyai porositas yang kecil dan luas kotak

7

Laporan Tugas Akhir

antar permukaan besar sehingga difusi antar permukaan juga semakin besar dan kompaktibilitas juga tinggi.

Tabel 2.1 Standar ukuran butir

US standart,

mesh European standart (FEPA standart)

Main fraction grain sizes, micrometers

100/120 D 151 150 - 125 120/140 D 126 125 - 106 140/170 D 107 106 - 90 170/200 D 91 90 - 75 200/230 D 76 75 - 63 230/270 D 64 63 - 53 270/325 D 54 53 - 45 325/400 D 46 45 - 38

2. Distribusi Ukuran Dan Mampu Alir

Dengan distribusi ukuran partikel ditentukan jumlah partikel dari ukuran standar dalam serbuk tersebut. Pengaruh distribusi terhadap mampu alir dan porositas produk cukup besar. Mampu alir merupakan karakteristik yang menggambarkan alir serbuk dan kemampuan memenuhi ruang cetak.

3. 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.

8

Laporan Tugas Akhir

Gambar 2.2 Bentuk-bentuk partikel pada serbuk logam

4. 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.

5. Kemampuan sinter Sinter adalah proses pengikatan partikel melalui proses penekanan dengan cara dipanaskan duapertiga dari titik lelehnya.

2.1.3 Proses Pencampuran Serbuk Kualitas produk sangat dipengaruhi kehomogenan komponen penyusun bahan melalui proses pencampuran atau yang juga biasa disebut sebagai proses kalsinasi. Pencampuran

9

Laporan Tugas Akhir

dapat dilakukan dengan proses kering (dry mixing) dan proses basah (wet mixing). Cara pencampuran basah (wet mixing) adalah cara yang lebih banyak dipakai yaitu dengan menggunakan pelarut organik untuk mengurangi pengaruh atmosfir yang menyebabkan peristiwa oksida. 2.1.4. Proses Penekanan atau Kompaksi

Penekanan 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). Penekanan terhadap serbuk dilakukan agar serbuk dapat menempel satu dengan lainnya sebelum ditingkatkan ikatannya dengan proses sintering. Dalam proses pembuatan suatu paduan dengan metode metalurgi serbuk, terikatnya serbuk sebagai akibat adanya interlocking antar permukaan, interaksi adesi-kohesi, dan difusi antar permukaan. Untuk yang terakhir ini (difusi) dapat terjadi pada saat dilakukan proses sintering.

Gambar 2.3. Powder Pressing

11

Laporan Tugas Akhir

Secara singkat penyebab ikatan bahan serbuk tersebut dijelaskan sebagai berikut : 1. Interbacking, yaitu terjadi ikatan akibat kekerasan permukaan serbuk. 2. Adhesi – kohesi, yaitu suatu interaksi akibat adanya ikatan

logam dan ikatan vander walls pada butiran serbuk. Ikatan logam terjadi antar unsur logam dengan unsur

logam, sedangkan ikatan vander walls terjadi akibat adanya fluktuasi dipole pada atom dan butir-butir serbuk. Dan besarnya gaya vander walls ini dipengaruhi oleh bentuk butir serbuk akibat proses kompaksi.

Bentuk benda yang dikeluarkan dari pressing disebut bahan kompak mentah, telah menyerupai produk akhir, akan tetapi kekuatannya masih rendah. Kekuatan akhir bahan diperoleh setelah proses sintering.

Tabel 2.2. Tekanan kompaksi pada berbagai macam

serbuk logam

12

Laporan Tugas Akhir

2.1.5 Sintering Sintering adalah salah satu tahapan metodologi yang

sangat penting dalam ilmu bahan, terutama untuk bahan keramik. Selama sintering terdapat dua fenomena utama yaitu : pertama adalah penyusutan (shrinkage) yaitu proses eliminasi porositas dan yang kedua adalah pertumbuhan butiran. Fenomena yang pertama dominan selama pemadatan belum mencapai kejenuhan, sedang kedua akan dominan setelah pemadatan mencapai kejenuhan. Parameter sintering diantaranya adalah : temperatur, waktu penahanan, kecepatan pendinginan, kecepatan pemanasan dan atmosfir.

Sintering biasanya digunakan pada sampel pada temperatur tinggi. Dalam terminologi teknik istilah sintering digunakan untuk menyatakan fenomena yang terjadi pada produk bahan, padat dibuat dari bubuk, baik logam / non logam. Sebuah kumpulan partikel dengan ukuran yang tepat (biasanya diameter beberapa mikro atau lebih kecil) dipanaskan sampai suhu antara ½ dan ¾ titik leleh, ini dalam orde menit selama perlakuan ini partikel-partikel tergabung bersama-sama.

Dari segi cairan, sintering dapat menjadi dua yaitu : sintering fasa padat dan sintering fasa cair. Sintering dengan fasa padat adalah sintering yang dilaksanakan pada suatu temperatur yang telah ditentukan, dimana dalam bahan semuanya tetap dalam fasa padat. Proses penghilagan porositas dilakukan melalui transport massa. Jika dua partikel digabung dan dipanaskan pada suhu tertentu, dua partikel ini akan berikatan bersama-sama dan akan membentuk neck. Pertumbuhan disebabkan oleh transport yang meliputi evaporasi, kondensasi, difusi.

13

Laporan Tugas Akhir

Gambar 2.4. Skema proses sintering serbuk logam (a). Solid-state (b) Liquid-phase material

R: radius partikel, r: neck radius, ρ: neck profile radius Setelah dilakukan proses sintering terhadap sample yang

sebelumnya telah dilakukan proses kompaksi maka ikatan antar serbuk akan semakin kuat. Meningkatnya ikatan setelah proses sintering ini disebabkan timbulnya liquid bridge (necking) sehingga porositas berkurang dan bahan menjadi lebih kompak. Dalam hal ini ukuran serbuk juga berpengaruh terhadap kompaktibilitas bahan, semakin kecil ukuran serbuk maka porositas kecil dan luas kontak permukaan antar butir semakin luas

2.2. Material magnetik.

Material yang bersifat magnetic atau material magnetic telah diketahui perbedaannya sejak ribuan tahun lalu. Sifat kemagnetan atau magnetisme adalah merupakan fenomena dimana suatu material dapat menimbulkan suatu gaya untuk

14

Laporan Tugas Akhir

menarik material lain. Beberapa material yang diketahui memiliki sifat-sifat magnet antara lain adalah : besi, beberapa baja, dan secara alami terjadi pada mineral lodestone. Dalam realitasnya material menjadi terpengaruh karena adanya medan magnet.

Penelitian tentang magnet baik secara teori maupun eksperimen terus dilakukan hingga kini, yaitu mulai dari magnetik properti hingga mempelajari mikro magnetisnya. Penelitian dititik beratkan pada pencarian bahan magnet yang mempunyai kemagnetan yang optimal dengan berat dan ukuran yang minimal. Magnetik adalah suatu fenomena misterius yang menarik, dimana material (ferromagnetik) dapat ditarik atau ditolak maupun dipengaruhi tanpa bersentuhan secara langsung.

Material ferit dapat dijadikan soft magnet untuk suatu komponen penting yang dapat digunakan secara luas. Suatu medan listrik yang diberikan pada konduktor, akan dapat menyebabkan arus mengalir pada konduktor tersebut dan arus ini pada gilirannya akan menghasilkan medan magnet. Dalam hal ini apakah ada pengaruh timbal balik dalam medan magnet sehingga dapat membangkitkan medan listrik. Michael Faraday pada 1831 mengemukakan bahwa pada dasarnya medan listrik dapat dibangkitkan oleh medan magnet yang berubah terhadap waktu. Peristiwa tersebut dikenal dengan nama induksi elektromagnetik.

Hukum induksi Faraday menghubungkan induksi sesaat emf “e” pada suatu rangkaian tertutup dari perubahan fluks magnet yang terlungkupi rangkaian terhadap waktu rata-rata. Hal ini menghasilkan arus pada rangkaian. Tanda negatif dari pernyataan hukum Faraday mempunyai arti tertentu, yang menerangkan bahwa arah emf induksi yang disajikan pada pernyataan tersebut sesuai dengan hukum Lenz (Lenz, 1834) yang menyatakan Emf induksi berlawanan arah dengan perubahan fluks.

15

Laporan Tugas Akhir

Pada penelitian ini dikhususkan untuk mengetahui properties dari magnet dengan dasar menggunakan persamaan - persamaan diatas dengan mengamati perubahan – perubahan yang terjadi dengan adanya variasi temperature dan holding time selama proses sintering.Adapun beberapa properties dari magnet dengan berbagai bahan yang dapat dijadikan acuan dapat dilihat dalam tabel berikut ini

Tabel 2.3 Properties magnet dari beberapa jenis bahan.

Composition Crystal

structure Js

[T] HA [kAm-

1] JHc

[kAm-1] (BH)mx [kJm-3]

Tc [K]

Alnico Cubic 1.34 400 130 120 1070

SrFe12O19 Hexagonal 0.48 1500 280 55 720

SmCo5 Hexagonal 1.12 23000 1600 280 1020

Sm2Co17 Rhomboedral 1.28 5200 960 360 1195

Nd2Fe14B Tetragonal 1.6 5680 1200 420 580 Sm2Fe17N3 Rhomboedral 1.5 11200 2240 380 743

2.2.1 Sifat-Sifat Magnet.

1. Induksi remanen (Br) Induksi magnetik yang tertinggal dalam sirkuit

magnetik (besi lunak) setelah memindahkan/ menghilangkan pengaruh bidang magnetik. Ketika arus dialirkan pada sebuah kumparan yang melilit besi lunak maka terjadi orientasi pada partikel-partikel yang ada dalam besi. Orientasi ini mengubah/ mengarahkan pada kutub utara dan selatan.

2. Permeabilitas magnet (μ) Daya hantar atau permeabilitas magnet

(diberi lambang μ) merupakan parameter bahan yang

16

Laporan Tugas Akhir

menentukan besarnya fluks magnetik. Bahan feromagnetik memiliki permeabilitas yang tinggi. μ = μo x μr ........................... (2.1)

= 1,256 (Gauss x sentimeter)/

ar daripada satu.

n μr sampai 100 000 3. Gay

g pada magnet permanent.

4. Gay

atau oleh garis fluks magnetik). 5. Flu

a n disebelah luar kumparan

6. Rel

ik dan sifat magnet bahan, tempat medan magnet.

dimana μo

ampere (G·cm/A) untuk bahan feromagnetik, permeabilitas relatif μr jenis bahan tersebut jauh lebih besBahan-bahan feromagnetik adalah: kobalt μr sampai 70 nikel μr sampai 200 besi dan besi padua

a koersif (Hc) Medan daya yang diperlukan untuk

menghilangkan induksi remanen setelah melalui proses induksi elektromagnetik. Pada besi lunak atau soft magnetic alloys besarnya gaya koersif yandiperlukan lebih kecil dari

a gerak magnetis (Θ) Gaya gerak magnetis ialah jumlah dari semua

arus dalam beberapa penghantar yang dilingkupi oleh medan magnet (

ks magnetik (Φ) Fluks magnetik total ialah jumlah dari semua

garis fluks magnetik; ini berarti bahwa fluks sambesar disebelah dalam da

uktansi magnet (RM) Relukstansi magnet tergantung dari panjang jejak

fluks magnetik, bidang penampang lintang A yang ditembus fluks magnet

17

Laporan Tugas Akhir

2.2.2

n dengan diagram histeresis atau hysteresis loop sebagai berikut:

Gambar 2.5 Diagram histeresis material magnetik.

Material Magnetik Kuat dan Lemah. Material magnetic diklasifikasikan menjadi dua yaitu

material magnetic lemah atau soft magnetic materials maupun material magnetic kuat atau hard magnetic materials. Penggolongan ini berdasarkan kekuatan medan koersifnya dimana soft magnetic atau material magnetic lemah memiliki medan koersif yang lemah sedangkan material magnetic kuat atau hard magnetic materials memiliki medan koersif yang kuat. Hal ini lebih jelas digambarka

Diagram histeresis diatas menunjukkan kurva histeresis untuk material magnetic lunak pada gambar (a) dan material magnetic keras pada gambar (b). H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme residual Br, yang disebut residual remanen, dan

18

Laporan Tugas Akhir

diperlukan medan magnet Hc yang disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2.5. Nilai H yang rendah sudah memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam, dan diperlukan medan Hc yang kecil untuk menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagn

tukan kuat atau lemahnya

selama proses pembuatan dapat dilihat ada gambar dibawah ini.

Gambar 2.6 Struktur m aya magnet pada butir kristal magnet.

etisasi dan sulit di-demagnetisasi. Dimana ukuran untuk menen

medan koersif adalah sebagai berikut: Medan koersif lemah adalah sebesar < 10 (A/Cm) Medan koersif kuat adalah sebesar > 300 (A/Cm) Adapun struktur mikro butir kristal dan garis gaya magnet pada tiap proses yang dilakukanp

ikro dan garis g

19

Laporan Tugas Akhir

2.3. Pengujian Difraksi Sinar- X Analisa dengan difraksi sinar-x merupakan salah satu

metode terpenting dalam mengidentifikasi padatan, khususnya padatan kristal. Dasar penggunaan dalam penelitian kristal adalah adanya susunan yang sistematis dari atom-atom yang menyusun padatan kristal atau ion-ion dalam bidang kristal dalam setiap spesies kristal dicirikan oleh susunan atom yang spesifik yang menciptakan suatu bidang atom sebagai penciri yang dapat memantulkan sinar-x. Sinar-x ditimbulkan jika elektron berenergi tinggi mengenai logam target (besi, tembaga dan lain-lain). Gelombang sinar-x memiliki spektrum yang terbagi menjadi 2 bagian, yaitu pita yang lebar untuk radiasi kontinu serta garis khas (K dan K) komponen K1 dan K2 dipisahkan oleh jarak panjang gelombang yang sangat kecil.

Garis K dan K seperti dipisahkan dengan filter penyearah yang terbuat dari logam seperti zircon, nikel atau mangan. Jumlah radiasi sinar-x yang diserap oleh cuplikan ditentukan oleh koefisien absorsi zat sesuai panjang gelombang sinar.

Apabila sinar monokromatik mengenai cuplikan, ada dua hal yang terjadi :

b. Bila cuplikan memiliki struktur didaerah sekitar kristak maka sinar-x akan terhambur secara koheren, proses ini dikenal sebagai efek difraksi sinar-x dan diukur secara difraksi sinar sudut lebar.

c. Bila cuplikan memiliki struktur dengan daerah kristal dan amorf maka sinar 2 akan terhambur secara tidak konkeren (hamburan compton). Proses ini terjadi dengan perubahan panjang gelombang dan fase ini dikenal sebagai hamburan sinar sudut sempit.

20

Laporan Tugas Akhir

Gambar 2.7 Berkas sinar-x pada bidang kristal

2.4. Uji Kekerasan

Kekerasan menyatakan ketahanan terhadap deformasi terhadap 3 jenis umum mengenai ukuran kekerasan yang tergantung cara melakukan pengujian. Ketiga jenis tersebut adalah

1. Kekerasan goresan (scratch hardness) 2. Kekerasan lekukan (identation hardness) 3. Kekerasan pantulan (rebrund) atau kekerasan

dinamik (dynamic hardness) Ukuran kekerasan goresan adalah mengukur kedalaman atau lebar goresan pada permukaan benda uji yang dibuat oleh jarum penggores yang terbuat dari intan dan diberi beban terbatas. Pada pengukuran kekerasan dinamik, penumbuk dijatuhkan ke permukaan logam dan kekerasan dinyatakan sebagi energi tumbuknya. Pada penelitian ini pengujian kekerasan dilakukan dengan metode uji kekerasan Vickers. Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besarnya sudutnya antara permukaan-permukaan piramid yang saling berhadapan adalah 136o. Kekerasan Vickers dapat diperoleh dengan membagi gaya pada luas bebas tekanan berbentuk piramida.

Kekerasan Vickers = piramidaberbentuktekananbekasluas

gaya (2.2)

21

Laporan Tugas Akhir

HV = A

P ....................................................... (2.3)

A = 854,1

2sin2

22 d

x

d

............................ (2.4)

Sehingga HV = 1.854 2d

P .................................. (2.5)

Dimana : HV = angka kekerasan Vicker(kgf/mm2) P = beban yang diberikan (kgf) d = panjang diagonal indentasi (mm)

Permukaan benda yang akan diuji harus diampelas sampai licin dan sampel yang akan diuji dijaga supaya tidak tejadi perubahan struktur. Pengujian dilakukan pada temperatur antara 18o sampai 28o C. Keuntungan-keuntungan dengan menggunakan uji kekerasan Vickers adalah sebagai berikut

1. Dengan benda-benda yang sama kekerasan dapat ditentukan tidak hanya untuk bahan lunak akan tetapi juga untuk bahan yang keras.

2. Dengan bekas tekanan yang kecil bahan percobaan merusak lebih sedikit.

3. Pengukuran kekerasan sangat teliti. 4. Kekerasan bahan spesimen yang amat tipis atau

permukaan lapisan yang tipis dapat diukur dengan memilih gaya yang kecil.

5. Hasil pengujian tidak bergantung pada kekerasan gaya tekan untuk bahan yang spesimennya sama, walaupun dengan gaya tekan yang berbeda akan menghasilkan nilai yang sama.

22