Precision Cast Sialon-bonded Silicon Carbide for Molten Metal Refractory Applications

Nama : Sigit Prasetyo 13711002Suka Pradita 13711066 Hakim Ginanjar 13711040

Abstrak

•Sialon yang berikatan dengan silikon karbida banyak digunakan di industri manufaktur

•Ketahanan temperatur tinggi & molten metal yang sangat bagus.

•Aplikasinya: molten metal pump parts, thermocouple protection tubes, degassing unit dan silicon crystallization press parts

Klasifikasi Keramik

Berdasarkan komposisi kimia, keramik dapat diklasifikasikan dalam lima kategori utama : •1. Oksida •2. Karbida•3. Silikat •4. Nitrida•5. Keramik gelas

Sialon

•Turunan dari silikon nitrida, maka masuk ke dalam kelompok keramik nitrogen.

•Akronim “sialon” berasal dari material yang berbasis Si-Al-O-N.

•Kekuatan lebih tinggi & ketahanan thermal shock dari silikon nitrida

•Saat ini, digunakan terutama sebagai cutting tool

Silikon Karbida

•Diproduksi pertama kali pada tahun 1891, terbuat dari pasir silika, coke, sejumlah kecil natrium klorida & serbuk gergaji.

•Resistensi yang baik untuk pemakaian, thermal shock, korosi, dan tahan pada temperatur tinggi.

•Sesuai untuk komponen ditemperatur tinggi dalam heat engine & juga sebagai alat pengamplas

Keistimewaan Sialon• Terbuat dari bahan baku yang murah seperti

clay, karbon, silikon, kalsit• Sifatnya lebih mudah dikontrol dengan

pengaturan komposisi• Kandungan O-Sialon dalam komposisi membuat

fired produk tahan terhadap oksidasi • X-Phase sialon resistan terhadap besi dan baja• Kandungan -Sialon membuat produk lebih

mudah disintering memiliki sifat yang tangguh

Prosedur Pembuatan

•Campuran serbuk halus (clay, silica, alumina) dan Coarse Silicon Carbide di bakar dalam Pyrotek Nibek gas fired production kiln pada temperatur 1450oC selama 9 jam (under Nitrogen) untuk ditransformasi menjadi O-sialon bonded silicon carbide composite.

Pengujian

•Distribusi ukuran partikel•Perubahan berat dan panjang•Modulus Elastisitas•Flextural Strenght•Compressive Strenght•Porositas & Densitas•Thermal Expansion•Crystalline Phase Content•Mikrostruktur

Distribusi ukuran partikel

•Distribusi ukuran partikel dianalisis dengan Shimadzu SALD-2001 Laser Diffraction Particle Size Analyser

•Kemudian dihitung dengan persamaan CPFT=(d/Dmax)q

CPFT is the Cumulative Percentage FinerThan (by volume)d is the particle sizeDmax is the largest particle sizeq is the distribution modulus

Perubahan berat dan panjang

•Perubahan berat diukur dengan menghitung perubahan berat sebelum dan setelah pembakaran

•Perubahan panjang diukur dengan menghitung perubahan berat sebelum dan setelah pembakaran

Modulus Elastisitas, Flextural Strenght & Compressive Strenght

•Modulus elastisitas diukur dengan metode impuls berdasarkan ASTM 1259-98

•Flextural strenght diukur dengan pengujian three point bending berdasarkan ASTM C674-88

•Compressive strenght dikur berdasarkan ASTM C773-88

Porositas & Densitas

•Pengukurannya dengan water saturation dan weighing suspended didalam airkemudian dihitung dengan persamaan Archimedes

Thermal Expansion• Sampel dipotong dengan gergaji intan, dengan

ukuran 50x5 mm• Potongan tersebut kemudiandipanaskan pada

temperatur 110°C• Spesimen dimounting kemudian diukur di Harrop

dilatometer dengan IRL-built electronic control. • Tungku dipanaskan di temperatur 1100°C at

2°C/min, dan didinginkan dengan kecepatan yang sama

• Thermal expansion kemudian diukur setelah proses pemanasan

Crystalline Phase Content

•Fasa kristalin dianalisis dengan difraksi sinar X dengan Phillips PW1700 series Diffractometer and the EVA evaluation module in Diffrac Plus Ver.6.0 Release 2000 (Bruker)

Hasil Pengujian & AnalisisDistribusi Ukuran Partikel

• Distribusi ukuran partikel pada campuran diatur agar menyerupai model teori continuous distribution (Andreasen q=0.21) semirip mungkin dengan kondisi komposisi kimia yang dibutuhkan dan bahan material yang tersedia.Pada awalnya pengukuran menunjukan bahwa semakin baik packing, semakin sedikit poros matriks, dan reology yang semakin baik

• Untuk continuous distribution dengan q=0.21, hasil terbaik dari pemaduan bisa dicapai dengan nilai maksimum SiC, di mana terjadi peningkatan kekuatan dan porositas

Mikrostruktur

•Dianalisis dengan metalografi yang dipolish pada 350μm diamond cup wheel.

•Kemudian dilihat strukturnya optical microscope atau dengan scanning electron microscopy (SEM)

Distribusi Ukuran Partikel

Perubahan Berat dan Panjang

• Gambar 4 menunjukan bahwa penyusutan meningkat seiring dengan meningkatnya komposisi sialon pada campuran. Hal ini serupa dengan porositas yang nanti akan dihasilkan

Modulus Elastisitas

•Hubungan antara kekuatan keramik setelah dibakar dengan modulus elastisitas ditunjukan pada gambar 6, dengan titik berwarna abu-abu tidak diperhitungkan. Hal ini dikarenakan data yang kurang baik. Tapi dari data tersebut jika kita bisa meningkatkan kekuatan, maka dengan tetap menjaga nilai modulus elastisitasnya, ketahanan thermal shock juga akan ikut meningkat

Modulus Elastisitas

Flexural Strength

•Kekuatan rata-rata dari sialon matriks ini ditunjukan pada gambar 5. flexural strength tertinggi pada komposisi 24% O-Sialonakan tetapi kita juga bisa melihat pada gambar dimana maksimum komposisi sialon untuk kekuatan maksimum ada pada 25-30% sialon

Flexural Strength

Compressive Strength

•Compressive strength dari ikatan komposit silikon karbida O-Sialon yang divariasikan dengan komposisi matriks sialonnya menunjukan kekuatan maksimumnya antara 25-30% sialon, sama seperti flexural strengthnya. Besarnya compressive strength pada komposisi tersebut adalah 435MPa

Compressive Strength

Porositas dan Densitas

•Dari percobaan ini kembali menunjukan hubungan antara porotitas dan kekuatan, dan sesuai perkiraan semakin tinggi porositas maka akan semakin rendah kekuatannya. Dan juga semakin rendah densitasnya.

Thermal Expansion

•Koefisien ekspansi termal untuk tiap sampel telah ditentukan dengan menghitung lekukan dari kurva antara titik 25°C-1000°C

•Dari hasil tersebut kita mendapatkan koefisien ekspansi termal dengan range 4.37-4.52°C -1

Thermal Expansion

Thermal Expansion

Crystalline Phase Content

• Pengaruh komposisi O-Sialon pada proporsi matriks dibawah 20%, sialon matriks membentuk betha sialondiatas 30% meningkatnya matriks yang tidak bereaksi dengan O-Sialon dan penampilannya berupa unreacted silicon. Hal ini ditandai dengan adanya warna hitam pada pusat rod

• Implikasi dari hasil tersebut adalah untuk ikatan O-Sialon silikon karbida, ada range maksimum dari konten sialon tersebut, yakni berkisar antara 25% - 30%

Crystalline Phase Content

Struktur Mikro

•Struktur mikro yang telah tercapai oleh optimisasi distribusi ukuran partikel dapat dilihat menggunakan gambar yang memiliki ketelitian yang tinggi seperti SEM (Mikroskop Scanning Elektron)

Scanned image of original packing

SEM micrograph image of original packing

Konklusi•Sialon-bonded silicon carbide mempunyai sifat

keuletan dan ketangguhan yang baik•Distribusi ukuran partikel mempengaruhi sifat

dari fired product•Semakin tinggi konten sialon dalam campuran

maka semakin tinggi pula kekuatan fired product (maksimum 25%-30%)

•Semakin tinggi proporsi matriks sialon semakin rendah porositasnya tapi semakin besar shrinkage (maksimum 30%)