BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Perkembangan industri dan teknologi saat ini khususnya industri logam dan konstruksi, semakin hari semakin memacu arah pemikiran manusia untuk lebih meningkatkan kemampuan dalam bidang ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya teknologi logam. Perkembangan tersebut secara langsung ataupun tidak membuat kebutuhan akan penggunaan material logam semakin meningkat, sehingga perlu adanya peningkatan produksi dari industri logam untuk memenuhi kebutuhan pasar. Dalam upaya meningkatkan produksinya, industri pengecoran logam membutuhkan teknologi peleburan logam yang mampu mendukung produksi tersebut. Salah satu komponen dalam teknologi tersebut adalah tungku untuk meleburkan bahan baku logam yang pengoperasiannya berlangsung pada temperatur sangat tinggi sehingga dibutuhkan bahan isolator sebagai pelapis dari tungku. Bahan isolasi yang mampu bertahan pada temperatur tinggi untuk melapisi tungku sering disebut sebagai batu tahan api atau material refraktori. Refraktori sendiri merupakan salah satu jenis material yang memiliki kemampuan untuk mempertahankan kondisinya baik secara fisik maupun kimia pada kondisi temperatur yang relatif tinggi. Karena kemampuan tersebut maka bahan refraktori umumnya digunakan pada operasi-operasi yang berlangsung pada temperatur tinggi baik pada industri metalurgi maupun non-metalurgi. Pada industri metalurgi refraktori digunakan untuk lapisan internal furnace, kiln, reaktor dan tempat untuk meletakkan dan mengangkut metal dan slag. Dalam industri nonmetalurgi refraktori sebagian besar digunakan pada alat pemanas, hydrogen reformer, ammonia primary dan secondary reformer, tungku, insinerator, utility boiler , unit catalityc cracking, tungku sulfur, pemanas udara, ducting, dan lain lain (Bhatia, 2011). Pengunaan refraktori sebagai lining tungku induksi pengecoran logam berfungsi sebagai pelapis material agar tungku tidak rusak dan ikut meleleh pada 1
2
saat beroperasi. Kualitas lining sendiri sangat berperan terhadap fungsi keselamatan kerja, peleburan logam dan efisiensi. Apabila suatu tungku mengalami masalah dengan lining maka otomatis tungku tersebut tidak dapat beroperasi yang berakibat tidak berjalannya operasi pada industri pengecoran logam tersebut. Berdasarkan komposisi kimianya, material refraktori dapat dibedakan menjadi beberapa jenis yaitu refraktori asam silika (SiO2), refraktori basa seperti magnesia (MgO), refraktori netral seperti alumina (Al2O3) dan refraktori khusus seperti karbon, silikon karbida, zirconia dan lainya. Refraktori yang tergolong dalam jenis material keramik merupakan material yang tahan panas serta tetap stabil pada temperatur tinggi. Yang dimaksud stabil adalah bahwa bahan refraktori tidak meleleh dan tidak terdeformasi pada temperatur tinggi, mempunyai perubahan volume yang sangat kecil (baik perubahan volume terhadap penyusutan ataupun pemuaian), tahan terhadap perubahan temperatur yang mendadak serta tahan terhadap korosi baik yang disebabkan oleh terak (slag), logam cair maupun gas. Bahan keramik yang salah satu aplikasinya sebagai bahan refraktori tersebut harus memenuhi sifat penting refraktori yaitu komposisi kimia, bulk density, porositas, berat jenis dan kekuatan pada suhu atmosfer. Sifat penting tersebut sering digunakan sebagai titik kontrol dalam manufaktur dan kualitas proses kontrol. Pada umumnya, keramik yang digunakan sebagai refraktori mempunyai beberapa kelemahan yang salah satunya adalah ketangguhannya rendah. Upaya yang bisa dilakukan untuk meningkatkan ketangguhan tersebut adalah dengan membuat komposit, yaitu komposit matrik keramik (CMCs = Ceramic Matrix Composites). Keramik rentan terhadap kegagalan karena adanya cacat (cacat permukaan atau internal). Keramik juga sangat rentan terhadap thermal shock dan mudah rusak selama fabrikasi dan/atau maintenance. Oleh karena itu, dapat diketahui bahwa yang menjadi suatu pertimbangan utama dalam komposit matriks keramik (CMCs) adalah untuk menguatkan keramik dengan memasukkan fibers (serat) di dalamnya dan dengan demikian kekuatan pada suhu tinggi dan ketahanan lingkungan dari
3
bahan keramik dapat digunakan tanpa adanya resiko bencana kegagalan yang tinggi (Chawla, 1985). Komposit matrik keramik (CMCs) sebagai salah satu material yang terus menerus dikembangkan dan disempurnakan sifat-sifatnya merupakan bahan alternatif yang sangat potensial. Alasan utama untuk mengembangkan CMCs adalah karena kemampuannya untuk memberikan sifat yang lebih baik pada material matrik dengan penambahan material penguatnya. Karakteristik material CMCs dipengaruhi oleh temperatur proses, waktu tahan dan persentase volume material penguat. Kaolin (Al2O3.2SiO2.2H2O) meruapakan salah satu bahan keramik yang banyak dipakai sebagai bahan keramik tradisional. Sifat utama kaolin adalah mempunyai titik lebur tinggi sebesar 3300o F (Bhatia, 2011). Dalam perkembangannya, kaolin dipakai sebagai keramik maju (advanced ceramics) diantaranya sebagai bahan refraktori tetapi kelemahannya adalah sifat ketangguhan retak (fracture toughness) yang rendah. Zirconia (ZrO2) merupakan bahan keramik yang mempunyai sifat mekanis baik dan banyak digunakan sebagai media untuk meningkatkan ketangguhan retak bahan keramik lain. Zirconia tersebut 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. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan CMCs dengan kaolin (Al2O3.SiO2.2H2O) sebagai matrik dan 3Y-TZP (Tetragonal Zirconia Polycrystal Stabilized with 3% Yttria) sebagai bahan penguat. Bahan 3Y-TZP adalah bahan keramik yang sangat terkenal karena mempunyai banyak keunggulan antara lain ketangguhan retak yang tinggi, KIC = 8-10 MPa.m1/2, kekuatannya 2000 MPa, kekerasan tinggi 1250 N.mm-2 dan suhu leleh tinggi 2700 oC. (http://www.goodfellow.com/E/Zirconia-stabilised-with-Yttria.html).
4
1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dijabarkan sebelumnya, menunjukkan perlunya dilakukan penelitian untuk meningkatkan fracture toughness dengan menambahkan zirconia (ZrO2) jenis 3Y-TZP pada kaolin (Al2O3.SiO2.2H2O) sebagai bahan refraktori.
1.3. Batasan Masalah 1. Material kaolin (Al2O3.2SiO2.2H2O) dengan ukuran 10 μm dari (03584, Sigma.Aldrich) 2. Material zirconia (ZrO2) jenis 3Y-TZP dengan ukuran partikel 0,1-2 μm dari (ZR616010, Goodfellow). 3. Analisis fasa atau komposisi bahan dengan XRD. 4. Pengamatan struktur mikro dengan metode SEM. 5. Pembuatan green body dengan uniaxial pressing dengan tekanan 30 MPa pada spesimen. 6. Sintering dengan Pressureless Sintering, dengan waktu penahanan 2 jam pada suhu 1450o C.
1.4. Tujuan Penelitian 1. Mengetahui pengaruh penambahan partikel zirconia (ZrO2) terhadap densitas pada komposit kaolin/zirconia. 2. Mengetahui pengaruh penambahan partikel zirconia (ZrO2) terhadap kekerasan pada komposit kaolin/zirconia. 3. Mengetahui pengaruh penambahan partikel zirconia (ZrO2) terhadap fracture toughness pada komposit kaolin/zirconia.
5
1.5. Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat: 1. Menciptakan komposit kaolin/zirconia yang memiliki sifat ketangguhan retak, kekerasan dan densitas yang baik. 2. Sebagai bahan informasi dan pertimbangan bagi penelitian selanjutnya yang berhubungan dengan bahan refraktori.
