## PENGARUH BEBAN KOMPAKSI DAN SUHU SINTERING TERHADAP DENSITAS DAN SIFAT MEKANIK ALUMINIUM WATER ATOMIZED
Heru Sukanto 1 1 Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret herusukanto@staff.uns.ac.id

## Kata Kunci :
green  density,  densifikasi, sintering, traverse rupture strength, porous

## Abstract :
The powder size used in the research were maximum of 297  m  and maximum of 105  resulted by water atomization. Both powder sizes were dry mixed by ratio of 65:35 %wt and was added by 1,25% wt of wax. Mixing was taking a place in steel cylinder with diameter of 2” roteted at 140 rpm for 2 hr. Green body was formed by pressing pressure of 280, 340, 400 and 435 Mpa. Sintering was conducted in argon and temperatures variation of 500, 550, 600 and 650 o C for 2 hr.
The results show thet sintering temperature change have no significant effects on density and mechanical properties while presing pressure have dominantly effects.  Traverse  rupture  strength,  density  and  hardness  growth  with increasing pressing pressure but they will decrease with increasing sintering temperature.  The  best  increasing  of  mechanical  properties  was  occurred  at temperature sintering of 500 o C and compaction pressure of 400 Mpa.

## PENDAHULUAN
Aluminium  merupakan  material  yang  sangat banyak penerapannya pada rekayasa teknik (terutama dalam  bentuk  paduan  atau  alumina)  karena keunggulan  sifatnya  dibandingkan  material  lain. Beberapa keunggulan produk dari serbuk aluminium paduan,  antara  lain;  ketahanan  terhadap  korosi, konduktifitas  panas  dan  listrik  yang  baik,  dan  sifat dekoratif  [The  Aluminum  Inc.,  2001]  Selain  itu, produk  dari  serbuk  aluminium  paduan  lebih  murah dalam  fabrikasi  dibandingkan  serbuk  besi  paduan. Semua keuntungan di atas dicapai dengan menggunakan  aluminium  dengan  tingkat  kemurnian yang tinggi (diatas 90%).
Pada umumnya serbuk aluminium diproduksi dengan menggunakan metode atomisasi gas inert dan berbahan  dasar  ingot  aluminium.  Namun  secara praktis  serbuk  aluminium  dapat  dibuat  dengan atomisasi  air  dan  menghasilkan  aluminium  dengan tingkat  kemurnian  rendah  (mengandung oksida)  dan bentuk  partikelnya  tidak  beraturan  (irreguler). Selanjutnya  untuk  menerapkan  serbuk  ini  dalam rekayasa teknik memerlukan penelitian yang seksama dalam  rangka  menentukan  sifat  fisik  dan  sifat mekanik  spesimen  dari  serbuk  aluminium  hasil atomisasi air.
Serbuk  paduan  aluminium  yang  terbuka  di udara  secara  alami  akan  membentuk  lapisan  oksida pada  permukaannya.  Lapisan  oksida  ini  sebagian besar  terdiri  dari  alumina  (Al 2 O 3 )  dalam  fase  gama yang memiliki struktur amorphous [Sato, 2000], dan berwarna gelap [Glazoff dan Novak, 1999]. Ketebalan oksida  aluminium  ini  sekitar  0,01  m  [Pozeit,  2002] dan akan bertambah dengan peningkatan suhu [Hatch, 1984]. Oksida aluminium yang terbentuk dari  proses
atomisasi  air  akan  berbeda  ketebalan  dan  struktur mikronya,  mengingat  kecepatan  pendinginan  yang sangat  cepat  dan  kemungkinan  terjadinya  reaksi antara  aluminium  dan  air  [Pezoit,  2002].  Sehingga lapisan  ini  tidak  bisa  disamakan  dengan  alumina keramik  yang  memang  sengaja  dibuat  (struktur kristal, warna putih). Keberadaan lapisan oksida yang menyelimuti  setiap  serbuk  dan  bentuk  serbuk  yang tidak  beraturan  ( irreguler )  akan  sangat  berpengaruh pada mekanisme sintering.

## METODE PENELITIAN Bahan
Bahan  penelitian  adalah  serbuk  aluminium hasil  atomisasi  air  dari  bahan  dasar  blok  mesin dengan  ukuran  maksimum  297  m dan maksimum 105  m  serta  berbentuk irregular .  Hasil  uji spektrometer  menunjukkan  komposisi  bahan dalam %wt; yakni: 60% Al, 15,86% Si, 15,5% Zn; 2,6% Fe, 1,7%  Pb,  1,7%  Sn,  0,77%  Cu  dan  0,34%  Mg  serta bahan  paduan  lainnya  seperti  Mn,  Cr,  Ni.  Untuk mengurangi  gesekan  antara  dinding  cetakan  dan serbuk digunakan pelumas lilin buatan Refi Chemical sebanyak  1,25%  wt  dengan  titik  lebur  99 o C  dalam furnace.
Pencampuran Serbuk dan Pelumas
Serbuk ukuran 297  m dan 105  m dengan perbandingan  berat  65:35  ditambah  lilin  dicampur dalam silinder  baja  yang  diputar  dengan kecepatan 140  rpm  selama  2  jam (dry  mixing) .  Maksud pencampuran  serbuk  ini  adalah  untuk  menghasilkan distribusi  ukuran  serbuk  yang  merata  dan  untuk menghaluskan    permukaan    serbuk    yang     masih
runcing. Tabel 1 menunjukkan data pencampuran serbuk dan pelumas.
Tabel 1. Data teknis pencampuran serbuk dan pelumas.
menggunakan spesimen berbentuk balok ukuran 6,35 x  12,7  x  31,7  mm.  Gambar  1  menunjukkan  skema pengujian  TRS  [Arik  dan  Bagci,  2003].  Data  yang diperlukan  untuk  menghitung  TRS  adalah  beban rupture dan defleksi spesimen.
F b TRS = 3 F b L 2 WT 2 (MPa)

## Kompaksi dan Sintering
Serbuk  yang  telah  dicampur  kemudian dikompaksi pada tekanan 280, 340, 400 dan 435 Mpa dengan  penekanan  uni-aksial single  acting. Untuk masing-masing  tekanan  kompaksi  didesain  akan menghasilkan dimensi green body (32,5 x 6,35 x 12,7) mm  [Arik  dan  Bagci,  2003]. Green  body kemudian disinter dalam dapur listrik yang lingkungannya diisi dengan  gas  argon  agar  tidak  terjadi  oksidasi  selama porses sintering. Suhu sintering diset pada skala 500, 550,  600  dan  650 o C  dengan  laju  pemanasan 10 o C/menit.  Setelah  mencapai  suhu  sintering dipertahankan  selama  120  menit  (2  jam)  dan pendinginannya  dilakukan  dengan  cara  mematikan dapur  tahanan  listrik  hingga  mencapai  suhu  ruang (slow cooling)
F b = gaya tekan (N)
L = jarak tumpuan (25,4  0,3 mm) T = tebal specimen (6,35 mm) W = lebar spesimen (12,7 mm) d = diameter silinder penumpu (3,1 mm)
Gambar 1. Skema pengujian kekuatan patah melintang.
Kekerasan  diukur  dalam  skala  brinell (BHN). Pengujian kekerasan dilakukan dengan beban (P)  30  kg  dan  diameter  bola  penekan  (D)  2,5  mm. Diameter  bekas  injakan  (d)  diamati  dengan menggunakan  mikroskup.  Kekerasan  spesimen diambil  dari  rata-rata  lima  kali  pengukuran.  Skala kekerasan  brinell  dihitung  dengan  rumus  berikut [Shackelford, 1996]:

## Pengujian Densitas
Densitas spesimen diukur dengan
menerapkan hukum Archimedes. Untuk  spesimen
BHN =  D(D − 2 P D 2 − d 2 )
yang  berpori-pori  memerlukan  tiga  kali  pengukuran berat  (penimbangan),  yakni  berat  di  udara  bebas (W1), berat di udara bebas setelah pori-pori spesimen diisolasi  (W2)  dan  berat  di  dalam  air  (W3). Pengisolasian  pori-pori  dimaksudkan  agar  air  tidak masuk ke pori-pori ketika ditimbang di dalam air, dan ini bisa dilakukan dengan mencelupkan spesimen ke dalam  minyak  [2]  atau  dengan  memberikan  lapisan lilin  yang  sangat  tipis  pada  permukaan  spesimen [Barsoum, 1997]. Densitas spesimen dihitung dengan menerapkan rumus Archimedes yang telah dimodifikasi [2].

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Beban Kompaksi dan Suhu Sintering terhadap Densitas
 = W 1 .  a W 2 − W 3 dengan  a adalah densitas air pada suhu kamar.

## Pengujian Sifat Mekanik
Traverse  rupture  strength (kekuatan  patah melintang  akibat  beban bending )  bahan  yang  getas dapat diuji dengan menggunakan metode three point bending atau four  point  bending [Barsoum,  1997]. Kekuatan  patah  melintang  mengacu  pada  standar MPIF (Metal Powder Industries Federation) nomor 41 ( Determination of Traverse Rupture Strength (TRS))
Gambar 2. Grafik pengaruh tekanan kompaksi dan
suhu sintering terhadap densitas
Volume silinder (cm 3 ) 257 Berat serbuk 297  m (gr) 27,3 Berat serbuk 105  m (gr) 14,7 Berat lilin (gr) 0,525 Charge ratio (berat bola besi : berat serbuk) 2 : 1 Diameter bola besi (mm) 6,35 Kecepatan putaran (rpm) 140 Lama putaran (menit) 120
Gambar 3. Grafik hasil pengujian penyusutan
( shrinkage )
Densitas  spesimen  berbanding  langsung terhadap  tekanan  kompaksi,  tetapi  berbanding terbalik terhadap suhu sintering. Peningkatan densitas optimal  terjadi  pada  tekanan  kompaksi  400  Mpa. Penambahan beban kompaksi diatas 400 Mpa hanya akan  menambah  densitas  dalam  skala  yang  kecil. Seperti  tampak  pada  ambar  2.  Grafik  peningkatan densitas memiliki kemiringan yang lebih besar hingga tekanan  400  Mpa,  setelah  melewati  titik  ini  grafik cenderung melandai.
Kenaikan  suhu  sintering  justru  akan menurunkan  densitas  (gambar  2)  dan  menurunkan penyusutan  (gambar  3).  Fenomena  ini  disebabkan keberadaan  lapisan  oksida  dan  bentuk  serbuk  yang tidak beraturan. Pada sintering, ketika kenaikan suhu mencapai  450 o C,  akan  terjadi  penambahan  dimensi spesimen [Delarbre dan Krehl, 2000]. Kenaikan suhu berikutnya hingga mencapai suhu sintering, spesimen akan  mengalami  penyusutan  karena  terjadinya pertumbuhan  batas  kontak  antar  partikel  ( neck )  dan terjadinya  penyusunan  ulang  konfigurasi  serbuk ( rearrangement ).  Adanya  oksida  yang  menyelimuti permukaan  serbuk  dengan  koefisien  muai  panjang yang  rendah  akan  menghambat  pertumbuhan neck , sedangkan  bentuk  partikel  serbuk  yang  tidak beraturan akan menghambat proses rearrangement.
Suhu sintering yang tinggi akan menghasilkan  tegangan  termal  yang  tinggi  pula sehingga  mampu  memecah  lapisan  oksida.  Lapisan oksida yang terbuka akan memberi jalan bagi bahan yang  berada  di  dalamnya  untuk  keluar  dan  bereaksi dengan udara atau uap air yang terjebak di dalam pori. Reaksi  ini  akan  meningkatkan  jumlah  oksida  pada spesimen.  Pada  beban  kompaksi  400  Mpa  dan  435 Mpa  serta  suhu  sintering  650 O C  akan  terdapat sebagian  material  yang  mengalir  keluar  dari permukaan  spesimen.  Hal  ini  bisa  terjadi  karena beban kompaksi yang tinggi akan mengurangi jumlah
udara dan uap air yang terjebak dalam pori. Sementara itu pada suhu sintering yang tinggi akan banyak bahan yang keluar dari lapisan oksida yang pecah, sehingga jumlah udara dan uap air yang berada dalam pori-pori tidak  cukup  untuk  mengoksidasi  bahan  yang  keluar tadi.  Bahan  yang  bebas  oksidasi  tersebut  akan mengalir  ke  permukaan  dengan  gaya  kapiler  atau menetes ke bawah dengan gaya gravitasi. Bahan yang keluar tadi akan meninggalkan oksida yang berongga seperti cangkang telur.

## Pengaruh Beban Kompaksi dan Suhu Sintering Pada Sifat Mekanik
Gambar 4. Grafik pengaruh beban kompaksi dan suhu sintering terhadap kekerasan brinell.
Kekerasan  brinell  sangat  dipengaruhi  oleh beban  kompaksi  sedangkan  kenaikan  suhu  sintering justru  menurunkan  kekerasan.  Fenomena  ini  mirip dengan  hasil  pengujian  densitas.  Peningkatan kekerasan  permukaan  terbesar  terjadi  pada  beban kompaksi 400 Mpa dan suhu sintering 500 o C (BHN = 30)  meskipun  kekerasan  maksimum  terjadi  pada beban 435 Mpa (BHN = 33). Pada suhu sintering yang tinggi  terjadi  penurunan  kekerasan  yang  sangat drastis.  Hal  ini  terjadi  akibat  peningkatan  porositas dan  bergeraknya  sebagian  bahan  yang  lunak  dengan titik lebur yang rendah (Al-Si atau Zn) ke permukaan.
Kekuatan  patah  melintang  menunjukkan kecenderungan  yang  sedikit  berbeda  dibandingkan grafik  densitas  dan  kekerasan.  Pengaruh  beban kompaksi  sangat  besar  hingga  tekanan  400  Mpa. Beban diatas 400 Mpa tidak akan meningkatkan TRS secara  signifikan.  Sementara  itu,  kenaikan  suhu sintering hingga 600 o C menunjukkan kecenderungan yang sama, yakni meningkat hingga tekanan 400 Mpa kemudia cenderung konstan pada tekanan diatasnya. Penurunan TRS yang sangat drastis terjadi pada suhu sintering  650 o C.  Hal  ini  terjadi  akibat  bahan yang
keluar  permukaan  spesimen  relatif  lebih  banyak, sehingga melemahkan ikatan antar serbuk.
Peningkatan  TRS  ini  terjadi  karena  bertambahnya jumlah  oksida  dan  penyebarannya  dalam  spesimen [Pozeit, 2002].
Gambar 5. Grafik pengaruh beban kompaksi dan suhu sintering terhadap TRS.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  pada  uji  mekanik  dan  fisik untuk  mengetahui  kelayakan  papan  partikel  limbah kemasan plastik aluminium foil dengan standar uji [7] dapat disimpulkan bahwa:
1. Peningkatan intake  temperature dari  30  –  120 ○ C yang  digunakan  pada  pembuatan  papan  partikel limbah serbuk aluminium foil memiliki pengaruh terhadap  penurunan  sifat  fisis  dan  mekanis  yaitu nilai  densitas  (9.2%),  kekuatan  lentur  (25.03%), modulus  elastisitas  (14.20%),  dan  kekuatan  tarik tegak lurus (15.2%). 2. Pembuatan papan partikel limbah serbuk aluminium foil dengan variasi intake temperature 30-120 ○ C  menghasilkan  nilai  densitas  dan kekuatan  lentur  yang  memenuhi  standar  papan partikel  [7],  sementara  nilai  modulus  elastisitas dan  kekuatan  tarik  tegak  lurus  tidak  memenuhi standar sebagai papan partikel [7].

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Dinas  Kebersihan  dan  Pertamanan,  “Strategi Pengelolaan  Persampahan  di  Kota  Surakarta,”
Indonesia, 2015.
[2] R.  M.  German,  “Powder  Metallurgy  Science,” The  Pensylvania  State  University ,  New  Jersy, 1994.
[3] B. Hendroyono, “Statistik Kementrian Lingkungan Hidup dan Kehutanan tahun 2015,” Kementrian Lingkungan Hidup dan Kehutanan , Jakarta, 2016.
[4] T. M. Maloney, “Modern Particle Board and Dry Process Fibre Board Manufacturing,” Miller Freeman , Inc : San Fransisco, 1993.
[5] Y.  M.  Massijaya,  “Development  of  Board Made From Waste Newspaper,” Dissertation  at  Tokyo  University
, Japan, Unpublished, 1997.
[6] E.  S.  Putra,  “Pengaruh  Tekanan  Kompaksi Pressure  Sintering  Terhadap  Ketahanan  Impak dan Kekuatan Tarik Limbah Kemasan Aluminium  Foil,  Skripsi,” Fakultas  Teknik Universitas Sebelas Maret , Surakarta. 2015.
[7] B.  I.  Setiawan,  N.  Nugroho,  “Pembuatan  dan Uji  Karakteristik  Papan  Partikel  Serat  Buah Bintaro,” Skripsi, Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor , Jawa Barat, 2012.
[8]    SNI  03-2105-2006,  “Mutu Papan Partikel,” Badan  Standardisasi  Nasional , Bogor, 2004.
[9] H. Sukanto, “Pengaruh  Suhu  Sintering Terhadap  Densitas  dan  Kekuatan  Komposit Plastik  -  Karet,” Jurnal  Ilmiah  Teknik  Mesin , vol. 3, no.1, pp.57-61, 2009.
[10] Suyanto,  “Pengaruh  Waktu  Sintering  Terhadap Sifat  Fisik  Dan  Mekanik  Komposit  Plastik (HDPE,PET),” Skripsi  Universitas  Sebelas Maret , Surakarta, 2007.