## Dampak Proses Sintering Material Keramik pada Sifat Mekanik dan Dimensi Suatu Produk

## Sulistyo
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059
E-mail: listyotm@ft.undip.ac.id

## Abstract
The  sintering  process  is  the  process  of  heating  a  material  to  increase  its  strength.  The  sintering process  in  ceramic  materials  can  be  carried  out  at  a  certain  temperature.  The  temperature  used depends  on  the  characteristics  of  the  ceramic  material  itself.  In  the  territory  of  Indonesia  has  the potential of ceramic materials so that it is necessary to understand the sintering process sufficient to obtain the expected product characteristics according to the needs of the engineering field. This paper discusses the process of sintering in clay ceramic materials into products and then evaluates changes in  dimensions  and  strength.  Clays  in  the form  of large  clumps  (chunks)  are  dried  in  ordinary  air  by utilizing  sunlight  for  3  days.  Dry  lumps  of  clay  are  manually  crushed  into  powder.  Powder measurement is done by sieving method using mesh 100. The powder is formed in the form of disks and porous cylinders by using compacting method followed by sintering process. Sintering is carried out at 950 C and 1250 C. The size of the sintering product is measured using a caliper. Mechanical strength is  measured  using  a  three  point  bending.  The  sintering  process  at  1250  C  produces  the  greatest shrinkage  and  the  best  bending  strength.    The  size  information  is  needed  in  the  assembly  process  to become the final product.
Keywords : Clay, ceramic, sintering.

## Abstrak
Proses  sintering  adalah  proses  pemanasan  suatu  material  yang  ditujukan  untuk  meningkatkan kekuatannya.  Proses  sintering  pada  material  keramik  dapat  dilakukan  pada  temperatur  tertentu  . Temperatur  yang  dipakai  tergantung  dari  karakteristik  material  keramik  itu  sendiri.  Di  wilayah Indonesia  memiliki  potensi  bahan  keramik  sehingga  diperlukan  pemahaman  proses  sintering  yang memadai untuk memperoleh karakteristik produk yang diharapkan sesuai kebutuhan bidang rekayasa. Paper ini membahas tentang proses sintering pada material keramik tanah liat (clay) menjadi  produk kemudian  dievaluasi  perubahan  dimensi  dan  kekuatan.  Tanah  liat  dalam  bentuk  gumpalan  besar (bongkahan) dikeringkan pada udara biasa dengan memanfaatkan panas  sinar matahari selama 3 hari. Bongkahan tanah liat yang sudah kering dinacurkan secara manual menjadi bubuk. Pengukuran serbuk dilakukan  dengan  metode  ayakan  (sieving)  menggunakan  mesh  100.  Serbuk  dibentuk  dalam  bentuk disk  dan  silinder  berpori  dengan  metode  kompaksi  dilanjutkan  proses  sintering.  Sintering  dilakukan pada  suhu  950  C  dan  1250  C.  Ukuran  produk  sintering    diukur  menggunakan  caliper.  Kekuatan mekanik  diukur  dengan  menggunakan  three  point  bending.  Proses  sintering  pada  suhu  1250  C menghasilkan  penyusutan  yang  paling  besar  dan  kekuatan  bending  yang  terbaik.  Informasi  ukuran sangat diperlukan dalam proses perakitan menjadi produk akhir.
Kata kunci: clay/ tanah liat, keramik, sintering

## 1. Pendahuluan
Indonesia  memiliki  bahan  baku  tanah  liat  ( clay) yang  melimpah.  Pada  tahun  2015  produk  tanah  liat  di  Indonesia berkisar  27  juta  m 3 [1].  Pemanfaatan  tanah  liat  saat  ini  sangat  bervariasi  dari  bidang  rumah  tangga,  konstruksi bangunan, komponen kendaraan  [2]  ,   komponen pembangkit energi  sel  bahan bakar  [3],   industri perminyakan, serta bidang kosmetik [4] [5]. Karakteristik terpenting pada pemakaian tanah liat pada bidang industri adalah ukuran partikel, komposisi  kimia,  bentuk  partikel,  sifat  fisik  dan  sifat  kimia,  porositas    serta  kekuatan  tanah  liat  setelah  mengalami proses sintering [5]. Ukuran partikel dapat diperoleh melalui proses tumbukan dengan peralatan ball mill atau melalui proses tumbukan secara  secara manual kemudian dilakukan poroses penyaringan dengan metode sieving (ayakan) [6]. Pada proses pembentukan selanjutnya dilakukan proses kompaksi dalam cetakan (moulding ) untuk memperoleh bentuk tertentu. Ukuran dan bentuk cetakan tergantung dari produk yang diperlukan. Untuk mempermudah pengikatan  serbuk tanah  liat  ditambahkan binder (pengikat)    [7]  sehingga  mudah  dibentuk  dan  serbuk  tanah  liat  mudah  merekat.  Tahap selanjutnya adalah pengontrolan porositas jika produk tersebut memerlukan porositas sperti produk filter. Pengontrolan porositas biasanya ditambahkan pore former (pembentuk pori). Material pembentuk pori untuk bahan tanah  liat dapat dipakai tepung beras atau tepung beras [8]. Pada proses selanjutnya tepung beras terurai dan hilang meninggalkan pori
Sulistyo, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober  2018) Hal. 244-248
( void ) terbentuk secara random. Proses penghilangan pore former diproses bersamaan dengan sintering. Proses sintering dikerjakan  untuk  meningkatkan  kekuatan  serbuk  tanah  liat.  Konsekuensi  dari  proses  sintering  dimensi  produk  akan mengalami  perubahan  karena  efek  pemanasan  yang  diberikan.  Disaat  penambahan  panas  pada  saat  proses  sintering atom atom yang berada pada material tanah liat mudah bergerak mengisi tempat yang kosong akibat proses difusi atom [9]  serta  bahan  yang  mudah  terbakar    seperti binder dan  pembentuk  pori  akan  menguap.  Efek  gerak  atom  dan menguapnya bahan pengikat dan pembentuk pori mengakibatkan perubahan ukuran produk.  Perubahan ukuran produk dari  proses  sintering  akan  memberikan  informasi  yang  cukup  penting  terutama  saat  mendesain  dan  merakit  semua komponen  menjadi  produk  yang  siap  dipakai.  Paper  ini  membahas  tentang  pembuatan  produk  clay  dalam  bentuk piringan ( disk) dan bentuk silinder berlobang serta kekuatan mekanik terutama kekuatan patah (fracture patah) dimulai dari pembuatan serbuk tanah liat, proses kompaksi dan proses sintering.

## 2. Metodologi Penelitian
Bahan  tanah  liat  diambil  dari  daerah  Plered-Purwakarta,  Jawa  Barat  dalam  bentuk  bongkahan.  Tanah  liat  ini dikeringkan diudara biasa dibawah terik matahari selama tiga hari.  Metodologi penelitian yang dilakukan ditunjukkan dalam  diagram  alir  Gambar  1.  Diawali  dengan  pemilihan  material  sampai  pengeringan  bahan  baku  tanah  liat, pembuatan serbuk, proses sintering, pengujian dan pembahasan dan diakhiri dengan kesimpulan.

## Gambar 1. Metode Penelitian
Pada proses pengeringan bongkahan dijemur selama  3  hari sudah kering. Tanah liat ditumbuk dalam mortar secara manual. Tanah liat dalambentuk serbuk diayak dengan mesh ukuran 100. Dibentuk menjadi piringan dengan tebal  7,4 mm  dan  diameter  70  mm.  Piringan  yang  dibuat  dikontrol  porositasnya  dengan  menambahkan    tepung  beras  dengan prosentase  berat    5%,  15  %  dan  25  %.  Binder  menggunakan  PVA  cair  sebesar  1  %  berat.  Tekanan  kompaksi menggunakan tekanan sebesar 3,5 MPa. Proses mixing dibantu dengan agitator mekanik pada menggunakan motor 220 V, 50 Hz. Agitator mekanik dipakai untuk menghasilkan prose pencampuran yang homogen antara serbuk tanah liat dan tepung beras.  Produk yang lain adalah berbentuk silinder berlobang  dengan diameter yang besar 107 mm dan diameter kecil  8  mm  sebanyak  39  lubang,  tinggi  silinder  70  mm.  Pada  pembuatan  silinder  dibentuk  semi  slurry  untuk  mudah dibentuk  dengan  binder  air  destilasi  dan  PVA  cair.  Proses  pembuatan  silinder  tanpa  menggunakan  tekanan.  Produk silinder  dikeringkan  dikeringkan  dalam  tungku  pada  suhu  105  C  selama  3  jam.  Sedangkan  untuk  silinder  langsung dilakukan  proses  sintering  pada  suhu  1250  C  dan  produk  silinder  disinter  pada  suhu  950.  Suhu  penahanan  dilakukan selama  2  jam.  Bentuk  tanah  sebelum  dan  sesudah  proses  pembuatan  serbuk  ditunjukkan  dalam  Gambar  2.  Ukuran serbuk adalah mesh 100.
(a)
(b)
Gambar 2. Bentuk tanah liat: (a) Bongkahan  tanah liat dan (b) Serbuk
Pengukuran  dimensi  dilakukan  dengan  caliper  digital.  Pengukuran  diambil  saat  sebelum  pemanasan  dan  sesudah pemanasan. Pengukuran porositas dilakukan dengan metode archimides. Pengukuran kekuatan patah dilakukan dengan metode three point bending .

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengukuran dimensi dengan menggunakan caliper digital ditunjukan pada Tabel 1 dan Tabel 2. Tabel  1 untuk produk piringan sedang Tabel 2 untuk produk silinder.
Tabel 1. Penyusutan tebal piringan berpori, Tebal awal : 7,4 mm, suhu sintering 1250 C
No Clay (gram) Tepung beras (gram) Penyusutan % 1 95 5 18 % 2 85 15 26% 3 75 25 27% Tabel 2. Penyusutan tinggi silinder, Tinggi silinder 70 mm, suhu sintering 950 C No Proses Penyusutan % 1 Dimensi awal 0 % 2 Pengeringan 14,3 % 3 Sintering 6,7 %
Tegangan patah pada  material  berpori ditunjukkan dalam Gambar 3. Grafik  hubungan tegangan patah dan  jumlah pore former yang ditambahkan dalam tanah liat setelah proses sintering pada suhu 1250 C. Semakin banyak pembentuk pori  yang  ditambahkan, tegangan patah  mengalami penurunan. Kondisi  ini  berkait dengan pembentuk pori  meningkat pada produk sinter  maka nilai porositas pada tanah liat sinter nilainya meningkat [8].
Gambar 3. Hubungan jumlah pore former dan tegangan patah material tanah liat
Proses pemanasan pada proses drying produk silinder seperti pada Tabel 2 menunjukan perubahan dimensi. Kondisi ini terjadi akibat void yang terisi oleh binder air akan hilang. Air menguap meninggalkan void dalam produk dan terisi oleh material tanah liat melalui proses difusi atom [10] yang ada pada tanah liat tersebut sehingga ukuran produk.
58,2 51,8 34,7 30 35 40 45 50 55 60 5 15 25 T ega n ga n , M P a Pore former % berat
Sulistyo, dkk./ ROTASI, Vol. 20  No. 4  (Oktober  2018) Hal. 244-248
Proses  difusi  suatu  atom  pada  produk  dapat  terjadi  karena  ada  energi  yang  dimiliki  oleh  atom  sehingga  mampu bergerak dan mampu menempati pada energi yang lebih rendah yaitu pada sisi void didalam material  [11]. Fenomena sintering secara detail diilustrasikan pada Gambar 4. Serbuk yang menempel diilustrasikan seperti 2 bola yang berimpit, kemungkinan difusi atom dapat terjadi karena atom memiliki energi yang diakibatkan panas yang diberikan dari panas tungku.
Gambar 4. Ilustrasi fenomena difusi selama proses sintering [12]
Beberapa  fenomena difusi  yang terjadi  selama proses sintering   seperti  yang diilustrasikan pada Gambar 4  adalah [12] 1 . Difusi permukaan
3. Difusi kisi
4. Difusi evaporasi
5. Difusi batas butir
6. Difusi kisi
Pada proses sintering yang mengakibatkan terjadinya densifikasi pada serbuk yang dominan adalah difusi batas butir dan difusi kisi pada  no 4 dan no5  [10]. Proses difusi atom  ini akan  mengisi  void  yang ada dan  membentuk neck atau leher  pada serbuk  satu dengan serbuk saling  berkait  membentuk  ikatan  yang  sangat kuat  [13]. Kondisi  ini ditunjukan pada  grafik  gambar  2  hubungan  antara  jumlah  pembentuk  pori  dengan  tegangan  patah.  Semakin  banyak  jumlah pembentuk  pori  yang  ditambahkan  akan  meningkatkan  nilai  porositas  dan  akan  mengurangi  kekuatan  patah.  Pada jumlah  pembentuk  pori  semakin  sedikit  maka  void  yang  terbentuk  semakin  sedikit  maka  void  yang  terisi  oleh  atom semakin banyak. Dengan demikian produk semakin rapat ( dense) . Produk semakin rapat makan kekuatan patah semakin tinggi. Pada gambar 2 ditunjukkan bahwa pada jumlah penambah pori 5 % maka kekuatan patahnya sebesar 58,2 MPa, sedang pada penambah pori sebanyak 25 %, kekuatan patah sebesar 34,7 Mpa [14].
Disamping  efek  kekuatan,  efek  dimensi  juga  sangat  dipengaruhi  oleh  jumlah  pembentuk  pori.  Semakin  banyak pembentuk pori maka perubahan dimensi semakin besar. Pada Tabel 1untuk  penambahan pembentuk pori tepung beras sebesar 5 %, 15 % dan 25 % berat maka  penyusutannya pada bentuk piringan adalah sebesar 18 %, 25 % dan 27 %, sedangkan untuk bentuk silinder yang dibentuk dengan semi slurry maka pada proses pengeringan (drying) pada suhu sebesar  105  C,  penyusutan  ukuran  tinggi  silinder  sebesar  14,3  %,  kemudian  dilanjutkan  pada  proses  sintering mengalami  penyusutan  sebesar  6,7  %.  Pada  proses  pengeringan  bentuk  silinder  pada  suhu  105  C  sudah  mampu menguapkan air  sehingga rongga  yang terisi  air kosong  membentuk pori dan ada atom  atom  yang  berdifusi  sehingga ukurannya menyusut [8, 10]. Pada proses sintering selanjutnya binder yang masih ada di dalam produk silinder belum dapat menguap pada suhu 105 C. Binder PVA (polyvinil  alcohol) mendidih pada suhu 228 C  [15] sehingga pada suhu sintering  950  C  mampu  menghilangkan  PVA.  PVA  yang  menguap  akan  meninggalkan  void  dan  terjadi  difusi  dan meningkatkan  densitas.  Proses  ini  akan  menyebabkan  perubahan  dimensi  yaitu  produk  mengalami  penyusutan  dan dapat meningkatkan kekuatannya[14].

## 4. Kesimpulan
Pada proses pembuatan produk dengan  material serbuk dari tanah  liat  yang  melalui proses kompaksi, pengeringan dan  proses  sintering maka  produk  tersebut  akan  mengalami  perubahan  ukuran. Informasi  perubahan  ukuran  sangat penting  pada  produk  akhir  sehingga  memudahkan  proses  perakitan.  Disamping  mengalami  penyusutan  akibat  proses sintering dapat meningkatkan kekuatannya. Pada proses sintering dengan memanfaatkan pembentuk pori tepung beras, penyusutan  terbesar  pada  pembentuk  pori  25  %  dengan  nilai  penyusutan  sebesar  27  %.  Kekuatan  patah  ( fracture strength ) tertinggi diperoleh pada penambahan tepung beras sebesar 5 % berat dengan kekuatan patah sebesar 58,2 MPa
pada suhu sintering 1250 C. Proses peningkatan kekuatan patah dan penyusutan produk tanah diakibatkan oleh proses difusi.

## Ucapan Terima Kasih
Kami  mengucapakn  terima  kasih  kepada  beberapa  pihak  yang  telah  membantu  lancarnya  penelitian  ini,  terutama pada saat pemakaian peralatan  yang ada di Departemen Teknik Mesin   Fakultas Teknik Undip  yang berupa peralatan tungku  pemanas,  peralatan  uji  bending  untuk  mengetahui  kekuatan  patah  dan  semua  pihak  yang  telah  membantu suksesnya penelitian ini.

## Referensi
[1]  B.  S.  Sodikin,  M.Sat,  R.  Gumelar, Statistik  Pertambangan  Bahan  Galian  Indonesia .  Badan  Pusat  Statistik Indonesia, 2016.
[2]  A. Ghofur, A. Hadi, and M. D. Putra, “Potential fly ash waste as catalytic converter for reduction of HC and CO emissions,” Sustain. Environ. Res. , pp. 1–6, 2018.
[3]  J. A. Cebollero, R. Lahoz, and A. Larrea, “Tailoring the electrode-electrolyte interface of Solid Oxide Fuel Cells ( SOFC ) by laser micro-patterning to improve their electrochemical performance,” J. Power Sources , vol. 360, pp. 336–344, 2017.
[4]  H. H.Murray, “Overview- clay mineral applications,” Appl. Clay Sci. , vol. 5, no. 5–6, pp. 379–395, 1991.
[5]  M. I. Carretero, “Clay minerals and their beneficial effects upon human health . A review,” vol. 21, pp. 155–163, 2002.
[6]  T.  Hanke  and  R.  Gmbh,  “Sieve  Analysis  Different  sieving  methods  for  a  variety  of  applicat ions,”  no.  August, 2016.
[7]  Y. B. Khosrowshahi and A. Salem, “Cerámica y Vidrio A view on organic binder effects on technical properties of ceramic Raschig rings,” pp. 335–342.
[8]  S.  Sulistyo,  “Porosity  Control  and  Mechanical  Properties  of  Porous  Ceramic  Material  from  Plered  Region,”  in MATEC Web of Conferences 159, 02004 (2018) IJCAET & ISAMPE 2017 , 2018, vol. 02004, pp. 1–5.
[9]  M.  Rundans  and  I.  Sperberga,  “Effect  of  sintering  process  and  additives  on  the  properties  of  cordierite  based ceramics,” no. April, 2015.
[10]  R.  M.  German,  “Sintering  Trajectories :  Description  on  How  Density  ,  Surface  Area  ,  and  Grain  Size  Change,” vol. 68, no. 3, pp. 878–884, 2016.
[11]  R. Grupp, M. Nöthe, B. Kieback, and J. Banhart, “Cooperative material transport during the early,” Nat. Commun. , vol. 2, no. May, pp. 296–298, 2011.
[12]  Xiaolin Chen, “Particle Packing, Compaction and Sintering in Powder Metallurgy,” 1998.
[13]  H. Mehrer, Diffusion in Solids Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes . 2007.
[14]  J. W. Fergus, Solid Oxide Fuel Cell Materials Properties and Performance . Nort West , Boca Raton USA: CRC Press, 2009.
[15]  M. Aslam, M. A.  Kalyar, and Z.  A. Raza, “Polyvinyl alcohol :  A review of research status and use of polyvinyl alcohol  based  nanocomposites  Polyvinyl  Alcohol :  A  Review  of  Research  Status  and  Use  of  Polyvinyl  Alcohol Based Nanocomposites,” no. April, 2018.