Prosiding Pertemuan Ilmiah Ibnu Pengetahuan dan Teknologi Balian 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

PENGARUH SUHU SINTERING TERHADAP KETANGGUHANRETAK DAN POROSITAS BAHAN TAHAN API BERKADAR

ALUMINA TINGGI DARI BAUKSIT DAN FLINT

Tjokorda Gde Tirta Nindhia1, I. B. Agra2, Jamasri3 daD Kusnanto4I Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bali,Fax: (0361 )70 1806

2Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, YogyakartaJJurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta4Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta

ABSTRAK

PENGARUH SUHUSINTERINGTERHADAP KETANGGUHAN RETAK DAN POROSITAS BA HANTAHANAPI BERKADAR ALUMINA TINGGIDARI BAUKSIT DAN FUNT. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh data pengaruhsuhu sintering terhadap ketangguhan retak dan porositas bahan tahan api berkadar alumina tinggi. Benda uji terbuat daTi bauksitdaD flint dengan perbandingan berat 8:3. Proses sintering dilakukan pada variasi suhu sintering 1350°C, 1375°C, 1400°C, dan1425°C. pengujian ketangguhan retak menggunakan metodefour-point bend te.ft, benda uji berbel1tuk single edge notched beam.Pengujian porositas menggunakan standar ASTM C20-80a. Permukaan patahan diamati dengan stereo zoom microscope, daDkomposisi fast yang terbentuk diuji dengan diffractometer sinar-X. Hasil pcngujian menunjukkan peningkatan suhu sinteringmenghasilkan ketangguhan retak yang semakin meningkat dan porositas yang semakin kecil. Fase yang terbentuk adalahcorundum. cristobalite. hematite, mullite. anorthite dengan komposisi t"raksi berat lase yang berbeda sesuai dengan suhu sintering.

Kata kunci : Bahan tahan api, alumina tinggi, .~intering, ketangguhan retak, porositas

ABSTRACT

THE EFFECTS OF SINTERING TEMPERATURE TO THE FRACTURE TOUGHNESS AND POR OSITYOFHIGH ALUMINA REFRACTORY THAT IS MADE FROM BAUXITE AND FLINT. The purposc of this research is toobserve the effect of sintering temperature to the fracture toughness and porosity of high alumina refractory. The specimen wasmade from bauxite and flint in the ratio of 8:3 by weight, and sintered at 4 variations of temperature namely I3S0.C, I37S.C,I400.C, and l42S.C. A four-point bend test with single edge notched beam specimen was used to measure its fracture toughness.The fracture surfaces were observed by using stereo zoom microscope, meanwhile its porosity was determined according ASTMC20-80a. Phase compositions were characterized by using X-ray diffractometer. It is found that The fracture toughness of thespecimen increases by increasing sintering temperature. Increasing sintering temflerature also affect on decreasing its porosity.By using X-ray diffractometer it is found that the phases that is formed are corundum, cristobalite, hematite, mullite, anorthitewith different in traction depend on the sintering temperature

Key words: Retractory, high alumina, sintering, tracture toughness, porosit)'

PENDAHULUAN

l840°C [10]. Aluminamurnimemiliki titiklelehtertinggipada sistem A12 O)-SiO2, digunakan sebagai bahan tahanapi di pabrik baja [3], semen, gelas daD kowi untukpengujian di laboratorium (laboratory crucible) [10].

Bahan alumina diperoleh dari mineral alam seperti

diaspore (Al,O).H2O), gibbsite (Al2O).3H2O), danjugabauksit (A12O).2H.°). Pengolahan bahan alam yangmengandung alumina (diaspore, gibbsite, bauksit)menjadi alumina murnimemerlukan proses yang panjangdan maha1 [6,7,11], sehingga alumina murni mempunyaiharga yang tinggi. Secara ekonomi tidak menguntungkanmemproduksi bahan tahan api berkadar alumina tinggimenggunakan bahan alumina murni. Penelitian inimenggunakan bahan bauksit :;ebagai sumber alumina

Bahan alumina (~O J memiliki ketahanan yangbaik pada betbagai lingkungan kimia. Bahan aIwnina jugamemiliki titik leleh yang tinggi (2020"C), sehingga aluminamerupakan bahan tahan api (refractory) yang populerdandigunakan pada berbagai industri [10].

Bahan tahan api berkadar alumina tinggi (highalumina refractory) didisain mendekati sistem binerAI2O)-SiO2 dengan diagram rase seperti tampak padaGambar I.

Kandungan alumina bahan tahan api berkadaralumina tinggi adalah diantara 70-90% dengan tujuanuntuk menghindari memiliki 2 rase yaitumullite+liquidsesuai dengan diagram rase pada Gambar I. Dengankomposisi seperti itu sistem memiliki suhu peritik

162

Pengaruh Suhu Sintering Terhadap Ketangguhan Retak don POTOSi/as Bahan Tahan Api Berkadar Alumina Tinggi daTiBauksit don Flint (Tjokorda Gde Tirta Nindhia)

f

E!~

l~

Khusus untuk bahan keramik [2,8], metodepengukuran ketangguhan retak yang dikembangkanadalah model pengujianfour-point bend, dengan bendauji berbentuk balok dengan takik tunggal (single-edgenotched beam test/SENE) seperti tampak pactaGambar2.

Pengujian ketangguhan retak dilakukan denganmembebani benda uji sampai patah (failure). Besarnyaketangguhan retak (K,c) whitling dengan persamaan:

(1)

dengan:F fail = beban pacta saat benda uji patah (N)~ = faktor kalibrasic = panjang retak awal (m)Sl = jarak roller bawah (m)S2 = Jarak roller alas (m)B = lebar benda uji (m)W = tinggi benda uji (m).

Gambar 1. Diagram lase sistem biner AI.C,-SiC,

(Al2O3) daD flint sebagai suber silika (SiOJKekuatan produk keramik dipengaruhi oleh

berbagai parameter proses produksi, salah satudiantaranya adalah suhu saat proses L'iintering [2,7.8].Suhu L'iintering berpengaruh terhadap komposisi raseyang terbentuk daD porositas produk, yang pactaakhirnya akan berpengaruh terhadap kekuatannya

Pengujian ketangguhan retak merupakanpengujian kekuatan bahan yang didasarkan alaspendekatan disain mekanika perpatahan elastis linear(linear elastic fracture mechanic) yang merupakanperbaikan metode pendekatan disain sebelumnya,seperti empirical design, deterministic design, daDprobabilistic design [8]. Mekanika perpatahan elastislinear merupakan metode pendekatan disain yang baikuntuk bahan keramik atau bahan getas lainnya. Metodetersebut menyatakan bahwa setiap bahan mengandungcacat yang mengawali kegagalan. Kekuatan suatu bahandalam metode ini dinyatakan dengan istilah ketangguhanretak (fracture toughnes,'i) disimbulkan dengan K1c' yaitufaktor intensitas tegangan (stres,'i intensity factor) pactasaat bahan mengalami kegagalan yang nilainyadipengaruhi oleh ukuran cacat [8].

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan datapengamh suhu .~intering terhadap ketangguhan retakdaD porositas bahan tahan api berkadar alumina tinggiyang dibuat dengan menggunakan bauksit sebagaisumber alumina danjIint sebagai sumber silika. Data-data yang diperoleh dapat digunakan sebagaipertimbangan dalam memproduksi bahan tahan apiberkadar alumina tinggi sehingga didapat kekuatan yangbaik dengan tidak mengesampingkan faktor-faktor

lainnya.

METODA PENELITIAN

Bahan tahan api berkadar alumina tinggi yangdigunakan untuk percobaan terbuat daTi bauksit(Gambar 3) sebagai sumber alumina danflint sebagaisumber silika (Gambar 4).

Hasil analisis kimia bahan bauksit daD flintdengan menggunakan alat atomic absorption

A- f

~w

A-- -7'

Gambar 2. Pengujian ketangguhan retak modelfour-point bend

163

Prosiding Pertemuan lbniah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN1411-2213

70mm

~k~~

15 rnm

l j~~J:_.:~sudut takik=45°

Gambar 5. Bentuk dan ukuran benda uji.

Ketangguhan retak diuji dengan alatservo pulzer;bukaan retak diukur dengan displacement gauge untukmemastikan benda uji berada dalam kondisi linearelastis. Alat servo pulzer terdapat di Laboratorium BahanTeknik, Teknik Mesin UGM. Permukaan patahan diarnatidengan stereo zoom microscope. Microskop jenis initerdapat dijurusan D3 Teknik Mesin UGM, pengujianporositas dilakukan berdasarkan ASTM C20-80a.Komposisi rase yang terbentuk diuji dengandiffractometer sinar-X di PUS LIT IBID-LP ITS

Surabaya.

Gambar 4. Butiran flint (SiOz)

spectrometer (AAS) dapat dilihat pada Tabell. Alat initerdapat di Direktorat Vulkanologi Yogyakarta

Tabel 1. Hasil analisis kimia bahan bauksit clanflint yang digunakan dalam penelitian ini

BASIL DAN PEMBABASAN

Hasi1 pengujian ketangguhan retak dan porositasmenunjukkan semakin tinggi suhu sinteringketangguhan retak semakin meningkat disertai denganpenurunan porositas seperti tampak pada Gambar 6.Pada suhu sintering 1350°C ketangguhan yang dimi1ikiada1ah 1,16 MPa.m1/2, dan porositasnya 20,211%.Peningkatan suhu ...intering mencapai 1425°Cmenyebabkan peningkatan ketangguhan retak mencapaini1ai 1,66 MPa.m1/2, dan porositas menurun mencapai

harga 9,612%.Pengamatan permukaan patahan dengan

menggunakan stereo zoom microscope menunjukkansemakin tinggi suhu sintering menyebabkan ukurancacat rongga (void) yang terjadi pada benda uji semakin

23

,-..(!-6 1.5~

~tJ

..z

18 ~S"1be0

13 Q,.

Bauksit danflint dihancurkan dengan pulver-

izer dan dihaluskan kembali denganjar-mill sampai

mencapai ukuran butir 15-20 I.I.In untuk bauksit dan 11.l.In

untuk flint. Bauksit dan flint dicampur dengan

perbandingan berat 8: 3, dan ditambahkan air murni (pure

water) sebanyak 10% berat agar dapat dicetak menjadi

green body dengan dimensi seperti tampak pactaGambar 5, dengan tekanan press sebesar 7000 N/cm2.

Benda uji selanjutnya dikeringkan dalam oven selama

24 jam pacta suhu 120.C, dan selanjutnya memasuki

proses sintering.Proses sintering dilakukan pacta 4 variasi suhu

yaitu 1350.C, 1375.C, 1400.C, dan 1425.C, yang

merupakan daerah 3/4 -4/5 titik leleh bahan dimana

proses sintering oksida-oksida keramik selalu dilakukan

[5,9]. Lajupemanasan dilakukanpada 3.C/menitdan

penahanan selama 1 jam untuk masing-masing target

variasi. Proses pendinginan dilakukan dengan

pendinginan alami dalam tungku.

8

1350 1375 1400 1425

Suhu .'iintering (OC)

Gamba, 6. Pengaruh suhu sinteringterhadap ketanguhan retak daD porositasbahan tahan api berkadar alumina tinggi.

164

Pengaruh Suhu Sintering Terhadap Ketangguhan Retak dan Poro.\"itas Bahan Tahan Api Berkadar Alumina Tinggi dariBauksit dan Flint (Tjokorda Gde Tirta Nindhia)

Gambar 7. Pengaruh suhu sintering terhadap pennukaan patahan benda uji.Terlihat semakin tinggi suhu sintermg menyebabkan ukuran cacat rongga(void) semakin kecil sehinga menurunkan porositas bend a uji

kecil seperti tampak pada Gambar 7. Dengan serna kin

kecil cacat rongga yang terjadi rnenyebabkan porositassemakin kecil.

Fase yang terbentuk untuk setiap variasi suhusintering dapat diarnati pada Garnbar 8. Pengujiankornposisi frasi berat dilakukan dengan diffractometersinal-X, rnenggunakan rnetode Rietved-Quasar danprofile fitting. Fase yang terbentuk adalah corundum(Al2O3)' cristobalite (SiOJ, Hematite (Fe2O3)' mullite(Al6S~OI3)' dan anorthite (CaAl2SiO2Os) untuk sernuavariasi suhu sintering seperti tampak pada Tabel 2.Komposisi stabil mulai tercapai pada suhu 1375°Cyangditandai dengan terbentuknya corundum (AI2O3) dancristobali te (SiO J dengan perbandingan kornposisi raseyang mirip dengn komposisi rase benda uji yang dibuatdengan variasi suhu sintering 1400°C dan 1425°C.

komposisi yang dijelaskan dalam penelitian ini

menunjukkan, peningkatan suhu ~'intering untuk variasi

suhu .~intering diantara 3/44/5 titik leleh, menghasilkan

ketangguhan retak yang semakin meningkat daD

porositas yang semakin kecil. Pada suhu sintering1350"C ketangguhan yang dirniliki adalah 1, 16 MPa. m 1/2,

daD porositasnya 20,21%. Peningkatan suhu sintering

mencapai 1425"C menyebabkan peningkatanketangguhan retak mencapai nilai 1,66 MPa.ml/\ daD

porositas menurun mencapai harga 9,612%.Fase yang terbentuk adalah adalah corundum

(AI2OJ, cristoba/ite (SiOJ, Hematite (Fe2O)), mu//ite

(Al6Si2OI))' dan anorthite (CaAl2SiO2Os),

UCAPAN TERIMAKASm

Penulis mengucapkan terimakasih kepada pabrikLoka Refractory atas bantuan bahan bauksit dan flintyang digunakan dalam penelitian ini. Terimakasihjugaditujukan kepada PUSLIT ffiID-LP ITS, Surabaya danDirektorat Vulkanologi Yogyakarta atas bantuanpengujian difraktometer sinar-X dan AAS.

KESIMPULAN

Untuk bahan tahan api berkadar alumina tinggiyang dibuat daTi bauksit danflint dengan perbandinganberat 8:3, menggunakan bauksitdanflintsesuai dengan

Tabet 2. Hasil pengujian komposisi rase yang terbentuk pada masing-masingvariasi suhu sintering. Pengujian dilakukan dengan diffractometer sinar-X

Prosiding Pertemuan lbniah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN1411-2213

t~nIs

Gambar 8a. Fase yang terhentuk pada suhu sintering 1350 'C

co"nm

Gambar 8b. Fase yang terbentuk pada suhu ,\'intering 1375 .C

DAFTAR PUSTAKA

[1],

[21.

f3].

[4],

ANDERSON, J. C., LEAVER, K. D., RAWLINGS,andR. D., ALEXANDER, J. D., Material Science,London: Chapman & Hall, (1990)BARSOUM, M. W., 1997, Fundamental ofCeramic, New York: McGraw-Hill Companies, Inc.HEDGE, S. B., CHATURVETI, S., PerformanceEvaluation of High-Alumina Brick.\" in ElectricArc Furnace and Ladles, Interceram, 46 (4) (1997)233-237.JASTRZEBSKI, Z. D., The Nature and Propertiesof Engineering MateriaL\", Canada: John Wiley &

Sons, Inc: (1977)[5]. KWON, S. Y., High Suhue Densification Fonning

of Alumina Powder-Constitutive Model andExperiment, Journal of Engineering Materials and

Technology, 118, (4), (1996)448-455.[6]. PURWANTO, W. W., SLAMET, WIBOWO, A.,

Pro.\'es Sinte.\'i.s- y-,4Iumina dari BauksitIndonesia Menggunakan Jalur Gibbsite-Boehmite-y-Alumina, Jurnal Tekno1ogi, 14 (3)

(2001)0215-1685.[7]. REED, S. R., Principle.\' ofCeramic.s- Processing,

166

Pengaruh Suhu Sintering Terhadap Ketangguhan Retak dan Poro.\"itas Bahan Tahan Api Berkadar Alumina Tinggi dariBauksit dan Flint (Tjokorda Gde Tirta Nindhia)

counts

~

QI"fO"io"3'0..".0 "'6'o""""'e'o"""",,'..'.."."""",''m.

46-12121 ,

1~01

Gambar 8c. Fase yang terbentuk pada suhu .\"intering 1400 'C

Gambar 8d. Fase yang terbentuk pada suhu sintering 142SoC

New York: John Wiley & Sons, Inc. (1995)[8]. RICHERSON, D. W., Modern Ceramic Engineer-

ing, New York: Mercel Dekker, Inc. (1992)[9]. RYSHKEWITCH, E., Oxide Ceramic, New York:

Academic Press. (1960)[10]. SHACKELFORD, J. F., Introduction to Materials

Science for Engineers, New York: MacmillanPublishing Company. (1992)

[11]. SOMIYA, S., .4dvanced Technical Ceramic.~,Tokyo: Academic Press. (1984)

167