## PENGARUH PRESURELESS SINTERING TERHADAP FRACTURE
TOUGHNESS KOMPOSIT KAOLIN-ZIRCONIA
Sigit Budi Hartono 1

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mempelajari  pengaruh  presureless  sintering terhadap fracture toughness komposit Kaolin-Zirconia. Kaolin (2SiO 2 .Al2O 3 .2H 2 O), suatu material keramik yang telah digunakan secara luas pada  industri  keramik.  Zirconia  (ZrO2)  biasanya  digunakan  sebagai  media untuk  meningkatkan fracture toughness suatu  material  yang  dikenal  dengan ZTC  (Zirconia  Toughened  Ceramics)  misalnya:  ZTA  (Zirconia  Toughened Alumina)  dan  ZTM  (Zirconia  Toughened  Mullite).  Dalam  penelitian  ini, komposisi  berat  Zirconia  divariasikan  dari  0%,  3%,  6%,9%,  12%,  15%,  dan 18% terhadap matrik Kaolin. Spesimen dibuat dengan tekanan kompaksi uni- axial 25 MPa dalam bentuk balok. Dimensi spesimen balok (50 x 10 x 8) mm 3 dengan retak awal ditengah (SENB) untuk uji fracture toughness dan disinter pada  suhu  1500 o C  selama  1  jam.  Spesimen fracture toughness dipolis  dan diuji  dengan  metode  single-edgenotched  beam  (SENB).  Hasil  penelitian  ini menunjukkan  bahwa fracture toughness naik  dari  0,73  MPa.m 0,5 (0%  berat Zirconia)  menjadi  0,96  MPa.  m 0,5 (15%  berat  Zirconia)  dan  turun  pada18% berat Zirconia.
Kata Kunci: Fracture Toughness , Kaolin, Zirconia

## PENDAHULUAN
Berbagai  jenis  keramik  untuk  orang  awam  biasanya  dikaitkan  dengan  barang barangkerajinantetapi  untuk  ahli  teknik  keramik  mencakup  berbagai  jenis  bahan  seperti gelas,  batuan,  beton,  bahan  ampelas,  porselen,  isolator  dielektrik,  bahan  magnetic bukanlogam,  bata  tahan api  suhu  tinggi,  dan  lainnya  ( Vlack,  1980 ).Bidang  penggunaan baru bagi keramik sebagai bahan konstruksi telahdikembangkan. Pada umumnya keramik memiliki  sifat-sifat  yang  baik  yaitu  keras,  kuatdan  stabil  pada  temperatur  tinggi,  tetapi keramik bersifat getas dan mudah patah ( Surdia,1985 ).
Kaolin  (Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O)  merupakan  salah  satu  bahan  keramik  yang  banyak dipakai  sebagai  bahan  keramik  tradisional.  Sifat  utama  Kaolin  adalah  mempunyai  titik
1 Jurusan Teknik Mesin - Sekolah Tinggi teknologi Nasional Yogyakarta
lebur tinggi ± 1800 o C. Dalam perkembangannya bahan ini dipakai sebagai keramik maju ( advanced  ceramics )  diantaranya  bahan  refraktori  seperti  batu  tahan  api  tetapi kelemahannya  adalah  sifat  ketangguhan  retak  yang  rendah.  Zirconia  merupakan  bahan keramik yang mempunyai sifat mekanis baik dan banyak digunakan sebagai media untuk meningkatkan  ketangguhan  retak  bahan  keramik  lain  diantaranya  dikenal  dengan  ZTC (Zirconia Toughened Ceramics ) misalnya, ZTA (Zirconia Toughened Alumina ) dan ZTM (Zirconia Toughened  Mullite ).  Dalam  penelitian  ini  Zirconia  digunakan  sebagai  media untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhan retak pada Kaolin.

## TINJAUAN PUSTAKA
Distribusi  ukuran  partikel  sangat  berpengaruh  terhadap  sifat  mekanis  dari bahankeramik  komposit,  seperti  ditulis  oleh Yu,  dkk (1999)  untuk  komposit alumina- Zirconia graphite (AZG)  refraktori.  Dalam  penelitiannya  sebagai binder digunakan phenolic resin 5% berat. Bahan di mixer dan ditekan dengan tekanan150 MPa secara uni- axial dengan ukuran spesimen 90x20x20 mm3 kemudian dipanaskan dengan suhu 1600 o C selama 2 jam. Penelitian ini menunjukkan bahwa didapatkan densitas yang tinggi 3,5 g.cm -3 dengan sedikit porositas + 5% yang dapat meningkatkan thermal shock resistance dan erosion  resistance .  Naiknya  temperatur sintering pada  bahan  keramik  matrik komposit sangat berpengaruh terhadap sifat fisis dan mekanisnya.
Menurut Chen,  dkk (2000)  yang  mempelajari  tentang  penambahan  partikel alumina pada matrik Kaolin. Alumina dengan Kaolin di milling selama 4 jam dan ditekan 27  MPa  secara uni-axial .  Spesimen  di sinter pada  suhu  1000-1600 o C  selama  1  jam dengan  h eating  rate dan cooling  rate 5 o C/menit.  Penelitian  ini  menunjukkan  bahwa densitas, strength dan fracture toughness -nya naik dengan naiknya suhu sinter .
Persentase  penambahan  berat reinforcement pada  matrik  komposit  sangat berpengaruh terhadap modulus of rupture komposit seperti ditunjukkan oleh Mazzai dan Rodrigues (2000) dalam penelitiannya tentang komposit Alumina-Mullite-Zirconia yang diperoleh  dari  reaksi sintering .  Dalam  penelitian  ini modulus  of  rupture dapat  diukur untuk  mengevaluasi  pengaruh  Zirconia  dan  mullite  di  dalam  matrik  alumina.  Ukuran spesimen 62x5x6 mm 3 dan ditekan 60 MPa, proses sintering dilakukan pada suhu 1650 o C dengan heating rate 10 o C/menit selama 2 jam. Modulus of rupture terbaik terjadi pada
penambahan Zirconia 15% berat dan penurunannya pada penambahan 20 dan 25% berat Zirconia  yang  ditandai  dengan  tingginya  porositas,  timbulnya  pori-pori  antar  butir  dan mulai terjadi microcracks pada matrik komposit.
Streicher,  dkk (2001)  meneliti  tentang  ZTA  (Zirconia toughened  alumina ceramics ). Ukuran spesimen balok 45 x 4 x 3 mm 3 dan silinder dengan ukuran diameter 25  mm  dengan  komposisi  pertama  adalah  75%  berat  alumina  dan  25%  berat  Zirconia kemudian  komposisi  kedua  dengan  74%  berat  alumina,  24%  berat  Zirconia  dan  2% impurity . Spesimen diuji indentation fracture toughness determination , dan X-ray (XRD) untuk  melihat  komposisi  kristal  yang  terjadi.  Hasil  penelitian  ini  menunjukkan  bahwa K 1C untuk komposisi pertama ZTA 4,1 MPa.m 0,5 dan komposisi kedua ZTA 2,8 MPa.m 0,5 .

## LANDASAN TEORI
Material keramik adalah senyawa non organik yang biasanya tersusun atas unsure logam dan bukan logam, daya tahan terhadap slip umumnya lebih baik sehingga keramik lebih  keras  dan  selalu  kurang  ulet  dibandingkan  dengan  bahan  logam  atau  polimer ( Vlack,  1980 ).  Dewasa  ini  pengembangan  material  keramik  diarahkan  pada  pembuatan Ceramic  Matrix  Composite (CMC),  dimana  bahan  keramik  sebagai  matrik  dipadukan dengan bahan keramik lain atau logam untuk mendapatkan sifat yang lebih baik.
Kaolin (Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O)
Kaolin  merupakan  salah  satu  bahan  galian  industri  yang  banyak  digunakan  baik sebagai  bahan  baku  utama  maupun  sebagai  filler.  Industri  yang  banyak  menggunakan Kaolin  antara  lain  industri  kertas,  pengolahan  karet  ban,  pupuk,  sabun,  pasta  gigi, keramik dan lainnya ( Suseno, 1999 ). Kaolin adalah bahan senyawa alumina silikat hidrat yang  pada  umumnya  mengandung  mineral  Kaolinit  teratur  berwarna  putih,  tidak  plastis dan karena pada umumnya murni mempunyai melting point ± 1785 o C ( Hartono, 1988 ).
Zirconia (ZrO 2 )
Zirconia merupakan merupakan salah satu material refraktori khusus yang titik leburnya di  atas  2500 o C (Lee  dan  Rainforth,  1994 ).  Zirconia  murni  memiliki  tiga  perubahan phase  pada  temperatur  tertentu  ( polymorphic  transformation ),  pada  tekanan  1  atm
( Barsoum, 1997 ). Salah satu sifat menonjol dari Zirconia adalah fracture toughness -nya yang  lebih  baik  dari  keramik  lainnya  ( Malau,  2002 ).  Ketangguhan  retak  Zirconia  lebih baik  karena  pada  proses sintering Zirconia  terjadi  perubahan  transformasi  kristal  dari phase  monoklinik  ke  tetragonal  ( metastable )  dan  akan  berubah  ke  phase  monoklinik kembali  bila  ada stress sehingga  menyebabkan  adanya  mekanisme  penguatan ( toughening mechanism ).

## Uniaxial Pressing
Keramik teknik pada umumnya dibuat dari partikel-partikel halus yang dibentuk dengan proses tekan dengan bahan yang kering seperti uniaxial-pressing atau isostatic pressing. Uniaxial  pressing dilakukan  dengan  cara  menekan powder didalam die dengan menggunakan  tekanan  satu  arah  axial  menggunakan plunger atau  piston.  Penekanan dapat dilakukan dengan cara mekanis atau hidrolis.

## Sintering
Proses sintering merupakan  proses  memanaskan green  body didalam furnace (dapur pemanas)  pada  temperatur  2/3  –  4/5  dari  titik  cairnya  supaya  partikel  halus tersebut beraglomerasi  menjadi  bahan  padat  ( Ryshkewitch,  1960 ).  Kebanyakan  bahan keramik dibuat  dengan  cara sintering dan  tahapan  dalam sintering mengacu  pada  urutan perubahan  secara  fisik  yang  terjadi  ketika  partikel-partikel  saling  mengikat  dan porositasnya menurun ( Djaprie, 1998 ). Tahap-tahap sintering dapat dibagi menjadi tiga tahap  seperti  pada  Gambar  1,  yaitu  tahap  pertama  ( initial  stage )  terjadi rearrangement dan neck formation , tahap kedua ( intermediate stage ) terjadi neck growth, grain growth dan pore-phase continuous , dan tahap terakhir atau tahap ketiga ( final stage ) terjadi much grain  growth,  discountinuous  pore-phase,  grain  boundary dan pores  eliminated ( Barsoum, 1997 ).
Gambar 1. Tahapan Yang Terjadi Selama Proses Sintering ( German, 1994 )
Uji Fracture Toughness (K1C)
Untuk  mengetahui  ketangguhan  spesimen  terhadap  retak  dilakukan  pengujian fracture toughness (KIC) dengan metode single-edge notched beam (SENB) ( Schneider, 2000 ).
Gambar 2. Skema Pengujian Fracture Toughness Dengan Metode Single-Edge Notched Beam (SENB).
Hasil  pengujian fracture  toughness (K 1C )  tersebut  dihitung  dengan  persamaan  ( Green, 1998 &  Schneider, 2000 ) :
Dengan :  K1C = fracture toughness (MPa. m 0,5)
Y = faktor geometri c = panjang retak (mm)

## S1 = jarak antar tumpuan (mm)

## S2 = jarak antar gaya tekan (mm)
Untuk  mencari  faktor  geometri  (Y)  pada  pengujian four-point  bending untuk  uji  K IC dipakai persamaan di bawah ini ( Green, 1998 & Schneider, 2000 ) :

## METODOLOGI PENELITIAN
Bahan Penelitian:
1. Kaolin  sebagai  matrik  diperoleh  dari  Brataco  Chemica  dengan  ukuran  partikel rata-rata 325 mesh (45 µm menurut ISO 565).
2. Zirconia  sebagai reinforcement didapat  dari  Brataco  Chemica  dengan  ukuran partikel rata-rata 140 mesh (106 µm menurut ISO 565).
3. Resin untuk mounting spesimen diperoleh dari Brataco Chemica.
4. Kertas ampelas untuk menghaluskan permukaan spesimen dari ukuran 120, 320, 400, 600, 1000.
5. Alkohol 96% diperoleh dari toko Asia lab. digunakan untuk mixing serbuk pada proses basah.
Alat Penelitian:
1. Timbangan digital ( Sartorius type LC 1201 S ) dan timbangan manual digunakan untuk menimbang matrik, partikel penguat, pengujian densitas.
2. Mixer digunakan untuk mencampur matrik dengan partikel penguat.
3. Cetakan spesimen (silindris dan balok) digunakan untuk pembuatan green body .
4. Mesin  tekan  ( Tarno  Grocki  type  UPHG20  Japan )  digunakan  untuk  penekanan dalam pembuatan green body .
5. Dapur pemanas digunakan untuk proses sintering .
6. Alat  uji  kekerasan Vickers ( Hardness  tester  type  38505 )  digunakan  untuk pengujian kekerasan.
7. Torsee  Universal  testing  machine  type  AMV-S-DE untuk  pengujian fracture toughness dan bending.
8. Mikroskop  optic  ( Olympus  Japan )  digunakan  untuk  pengamatan  penyebaran partikel, bentuk patahan dan menentukan panjang diagonal uji Vickers .
9. SEM untuk pengamatan struktur mikro.
10. Mesin polish untuk menghaluskan permukaan spesimen.

## Bentuk Spesimen:
Spesimen uji fracture toughness seperti terlihat pada Gambar 3. 4 dengan ukuran L = 50 mm, c = 3 mm, B = 10 mm, W = 8 mm, jarak crack = 0,5 L
Gambar 2. Bentuk Spesimen Balok Untuk Uji Fracture Toughness (K IC )
Cara Penelitian:
1. Mempersiapkan  material  spesimen  berupa  serbuk  Kaolin,  serbuk  Zirconia  dan alkohol,kemudian  ditimbang  dengan  persentase  berat  Zirconia  0%,  3%,  6%,  9%, 12%, 15%, dan 18%.
2. Mencampur kedua material serbuk dengan penambahan alkohol 400 ml tiap 400 gr (Kaolin  +  Zirconia)  pada  tiap  variasi,  kemudian  di mixing selama  3  jam  dengan bolakelereng.
3. Dikeringkan  di  udara  terbuka  sampai  kering  kemudian  di mixing kembali  selama 3jam.
4. Kemudian  serbuk  campuran  (Kaolin  +  Zirconia)  ditimbang  berdasarkan  kebutuhan tiap  spesimen,  kemudian  dimasukkan  ke  dalam  cetakan  untuk  dibuat green  body dengan uniaxial pressing pada tekanan 25 MPa.
5. Untuk spesimen balok di sinter pada suhu 1500 o C dengan laju pemanasan 5 o C/menit dan didinginkan sampai temperatur ruang secara alami di dalam furnace , kemudian dipolis dengan kertas amplas ukuran 120, 230, 400, 600, dan 1000.
6. Spesimen  balok  setelah  dipolis  untuk  spesimen  K IC kemudian  diuji fracture toughness , dan pengamatan hasil patahan dilakukan dengan foto makro.
7. Pengamatan struktur mikro spesimen dengan menggunakan foto mikro dan SEM.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian Fracture Toughness Dengan Metode SENB
Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  metode Single-Edge  Notched  Beam (SENB). Mesin yang digunakan adalah Torsee’s Universial testing Machine dengan laju pembebanan  0,5  mm/menit.  Hasil  pengujian fracture  toughness dengan  metode  SENB dapat dilihat pada Gambar 3.
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 0 3 6 9
12 15 18 % Berat  penambahan ZrO 2 K IC (M P a .m 0 ,5 ) Gambar 3. Grafik Hasil Pengujian Fracture Toughness Dengan Metode SENB.
Pada  Gambar  3  dapat  dilihat  bahwa  penambahan  partikel Zirconia  dapat meningkatkan fracture toughness dari (0,73 ±0,13) MPa. m 0,5 menjadi (0,96 ± 0,07) MPa. m 0,5 .  Secara  teori  penambahan  Zirconia  (tetragonal)  pada  suatu  bahan keramik  dapat menaikkan  KIC  keramik  tersebut  dengan  mekanisme stress-induced  transformation toughening seperti disampaikan oleh Yanagida (1996), Barsoum (1997).
Namun demikian dalam penelitian ini sulit untuk mendeteksi mekanisme tersebut karena  Zirconia  yang  digunakan  mempunyai  kemurnian  rendah  dan  belum  dilakukan pengamatan mendetail tentang mekanisme tersebut. Amin (2005) meneliti tentang Kaolin yang di sinter 1500 o C dan pada tekanan 25 MPa harga fracture touhgness sebesar (0,32 +
0,004)  MPa.  m 0,5 . Chen dan Tuan (2000)  mendapatkan  harga fracture  toughness dari Kaolin  yang  di sinter 1500 o C  dengan  tekanan  kompaksi  27  MPa  adalah  1,5  MPa.  m 0,5 . Hasil  ini  jauh  lebih  tinggi  karena  kemungkinan  disebabkan  oleh  pembuatan  retak  pada spesimen  untuk  uji fracture  toughness dibuat  setelah  dilakukan  proses sintering. Akan tetapi  pada  penelitian  kali  ini  pembuatan  retak  dilakukan  sebelum  proses sintering , sehingga kemungkinan terbentuknya “retak awal” di ujung crack.
Gambar 4. Bentuk Crack Yang Dibuat Untuk Pengujian Fracture Toughness Dengan Perbesaran Yang Berbeda.
Pada  Gambar  4  menunjukkan  bahwa  sebelum  proses  pengujian  dilakukan  sudah terdapat  retak  awal  (efek  pembuatan  retak  dengan  pencetakan)  di  ujung crack sehingga menyebabkan  rendahnya  harga fracture  toughness saat  diuji.  Bentuk  permukaan  patah dari uji fracture toughness pada spesimen yang di sinter 1500 o C dengan tekanan 25 MPa dapat dilihat pada Gambar 5.
Sedangkan  pada  Gambar  6  menginformasikan  adanya  mekanisme  penguatan terhadap  retak.  Pada  penambahan  0%  berat  Zirconia  tidak  tanpak  adanya  mekanisme pembelokan retak ( crack deflection ) sedangkan pada 15% berat Zirconia terlihat adanya mekanisme  pembelokan  retak  ( crack  deflection )  pada  sisi  partikel  Zirconia  yang dimungkinkan dapat meningkatkan harga fracture toughness komposit Kaolin/Zirconia.
Gambar 5. Foto permukaan patah dari spesimen dengan penambahan persentase berat Zirconia (a) 0%, (b) 3%, (c) 6%, (d) 9%, (e) 12%, (f) 15%, dan (g) 18%
setelah dilakukan uji fracture toughness.
Gambar 6. Mekanisme Penguatan Terhadap Retak Pada Spesimen Yang Di sinter 1500 Oc Untuk (a) 0% Berat Zirconia Dan (b) 15% Berat Zirconia

## KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Harga  tertinggi fracture  toughness komposit  Kaolin/Zirconia  dengan  metode  SENB sebesar (0,96 ± 0,07) MPa. m0,5 pada 15% berat Zirconia.
2. Penambahan sampai dengan 15% berat Zirconia dapat meningkatkan harga kekuatan bending dan fracture toughness dari matrik Kaolin sedangkan pada penambahan 18% berat  Zirconia  sudah  mengalami  penurunan  harga  kekuatan  bending  dan fracture toughness -nya.

## DAFTAR PUSTAKA
Amin,  M.dan  Wildan  M.W.,  2005, Pengaruh  Tekanan  Kompaksi  dan  Suhu  Sintering terhadap  Sifat  Fisis  dan  Mekanis Kaolin,  Thesis  Program  Pasca  Sarjana Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Barsoum, M.,1997, Fundamentals of Ceramics , Mc Graw-Hill Companies, New York.
Chen,  C.Y.,  Lan,  G.S.,  Tuan,  W.H.,  2000, Preparation  of  Mullite  by  the  Reaction of Sintering Kaolin ite  and  Alumina ,  Journal  of  the  European  Ceramic  Society  20 2519-2525.
Chen C.Y. dan W.H. Tuan, 2001, The Processing of Kaolin Powder Compact , Ceramic International 27 795-800.
Djaprie S., 1987, Ilmu dan Teknologi Bahan , Erlangga, Jakarta.
Mazzai, A.C., Rodrigues, J.A., 2000, Alumina-Mullite- Zirconia Composites obtained by Reaction Sintering , Journal of Materials Science, 35 2807 – 2814.
Malau, V., 2002, Diktat Kuliah Bahan Teknik , Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
German,  M.  R.,  1994, Powder  Metallurgy  Science ,  Princeton,  New  Jersey  08540-6692 U.S.A.
Gibson,  R.F.,  1994, Principles  of  Composite  Material  Mechanics ,  Mc  Graw-Hill  Book Co, New York.
Green,  J.D.  1998, An  Introduction  to  the  Mechanical  Properties  of  Ceramics ,  The Edinburg Building, Cambridge CB 22RU, United Kingdom.
Lee,  W.E.,  Rainford,  W.M.,  1994, Ceramics  Microstructure  Property  Control  by Processing , Chapman and Hall, London UK.
Ryshkewitch, E., 1960, Oxide Ceramic , Academic Press Inc, New York.
Schneider,  J.S.Jr.,  2000, Engineered  Materials  Handbook  Ceramics  and  Glasses ,  ASM International, materials Park, OH 44073-0002, Vol. 4. USA.
Streicher,  R.  M.,  Insley,  G.,  Jones,  E.,  2001, New  Generation  Ceramics  for  Hip  Joint Prostheses , Society for Biomaterials.
Suseno, T., Setiawan, A., dan Mujib, 1999, Studi Pemanfaatan Kaolin Kecamatan Jailolo Kabupaten  Maluku  Utara  Propinsi  Maluku ,  Makalah  Teknik  No.  16  Th.  7., Puslitbang Teknologi Mineral, Bandung.
Somiya, S., 1989, Advanced Technical Ceramics , Academic Press Inc, Tokyo.
Surdia, T., 1985, Pengetahuan Bahan Teknik , Pradnya Paramita, Jakarta.
Van Vlack, L. H., 1980, Ilmu dan Teknologi Bahan , Erlangga, Jakarta.
YU Shan-Pu, YANG Ko-Ho, WANG Moo-Chin, and HON Min-hsiung, 2001, Effect of Process Parameters on the properties of Alumina- Zirconia -Graphite refractories (Part 1), Journal of the Ceramic Society of Japan, 109 (7) 596 –601.
YU  Shan-Pu,  WANG  Moo-Chin,  and  HON  Min-hsiung,  2000, Effects  of  Particle  Size Distributionon  the  properties  of  Alumina- Zirconia -Graphite  Refractory ,  Journal of the Ceramic Society of Japan, 107 (7) 601 – 605.
Yanagida H.,Koumoto K., Miyayama M., 1996, The Chemistry of Ceramics , Maruzen Co., Ltd, Tokyo.
PENULIS:
SIGIT BUDIHARTONO Email:  s1g1t.budi@yahoo.co.id Jurusan Teknik Mesin
Sekolah Tinggi teknologi Nasional Yogyakarta