26
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini, pembuatan soft magnetic menggunakan bahan serbuk besi dari material besi laminated dengan perlakuan bahan adalah dengan proses kalsinasi dan variasi tekanan kompaksi. Untuk selanjutnya dilakukan pengujian dan pengambilan data sebagai berikut: 1. Pengamatan struktur mikro 2. Pengujian kekerasan Vickers
Gambar 4.1 spesimen soft magnetic dan material laminated
Gambar 4.1 menunjukkan ukuran geometri dari sample soft magnetic yang mempunyai dimensi p= 2 cm, l= 2 cm dan t= 0,3 cm. Serbuk besi soft magnetic terbuat dari current bekas transformator yang mempunyai bentuk laminated.
27
4.1. Hasil Pengujian Densitas Pengujian densitas dilakukan untuk mengetahui perbandingan antara densitas aktual dengan densitas teoritik menurut perhitungan rule of mixture soft magnetic komposit. Densitas teoritik dengan perhitungan rule of mixture berfungsi sebagai prediksi densitas dari komposit yang menjadi acuan dari hasil densitas aktual. Grafik hubungan antara variasi tekanan kompaksi terhadap densitas aktual ditunjukkan pada gambar 4.2
Densitas Aktual ( (gr / cm3)
6 5.8 5.6
5.541
5.4
5.369
5.2 5.087
5 4.8 4.6 4.4 4
5
6
Tekanan Kompaksi (Ton)
Gambar 4.2 Grafik pengaruh tekanan kompaksi terhadap densitas aktual Berdasarkan gambar 4.2 menunjukkan densitas aktual semakin meningkat dari 5,08 gr/cm3 menjadi 5,54 gr/cm3 seiring dengan peningkatan variasi tekanan. Semakin tinggi tekanan kompaksi maka semakin tinggi pula densitas aktualnya (German, 1998). Pada proses kompaksi, terjadi deformasi elastis pada serbuk yang saling bersentuhan dan menyebabkan partikel serbuk saling bergeser satu dengan yang lain dan terjadi penyusunan partikel. Menurut Gita (2014) apabila tekanan kompaksi yang diberikan lebih tinggi lagi maka tidak terjadi lagi penyusunan partikel sehingga diperoleh bentuk yang lebih padat.
28
Dari pengujian densitas aktual material laminated diperoleh nilai densitas yang lebih besar yaitu 7,6 gr/cm3. Hal ini disebabkan karena material laminated memiliki dimensi yang lebih padat dan mempunyai sedikit porositas. Sedangkan dari perhitungan densitas teoritik rule of mixture material laminated diperoleh nilai 7,77 gr/cm3 dan untuk material soft magnetic diperoleh nilai 6,83 gr/cm3 pada tekanan 4 ton. Sedangkan pada tekanan 5 ton didapatkan nilai 6,86 gr/cm3 dan pada tekanan 6 ton sebesar 7,06 gr/cm3. Nilai densitas teoritik soft magnetic tiap variasi tekanan kompaksi tidak berbeda jauh karena menggunakan bahan serbuk besi, pengikat epoxy dan komposisi paduan yang sama untuk setiap variasi tekanan. 4.2. Perhitungan Porositas Pembuatan komposit sangat erat kaitannya dengan keberadaan porositas. Porositas sendiri merupakan suatu cacat material yang berupa kekosongan celah/rongga yang diisi oleh gas atau lubricant. Hasil nilai densitas aktual dan densitas teoritik digunakan untuk menghitung porositas yang terjadi pada komposit. Berikut ini adalah contoh perhitungan porositas pada soft magnetic komposit dengan pengikat epoxy pada variasi tekanan kompaksi 6 ton.
= 1-
100%
= 21,6 % Keterangan : P = Porositas (%) ρa = densitas aktual (gr/cm3) ρt = densitas teoritik (gr/cm3)
Dari hasil perhitungan porositas soft magnetic serbuk dengan variasi tekanan kompaksi 4, 5 dan 6 ton, digunakan untuk membuat grafik hubungan pengaruh variasi tekanan kompaksi terhadap porositas yang ditunjukkan pada gambar 4.3.
29
29
Porositas (%)
27 25.6
25 23
22
21.6
21 19 17 15 4
5
6
Tekanan Kompaksi (Ton)
Gambar 4.3 Pengaruh tekanan kompaksi terhadap porositas pada soft magnetic komposit
Gambar 4.3 menunjukkan bahwa porositas yang terbentuk semakin kecil seiring dengan tingginya tekanan kompaksi. Hal ini disebabkan karena pada saat tekanan kompaksi yang tinggi dapat menyebabkan interaksi antar gesekan antar serbuk lebih tinggi sehingga mengurangi jumlah dari porositas. Gambar 4.3 juga memperlihatkan pada tekanan kompaksi 6 ton mempunyai nilai porositas yang terkecil yaitu 21,6%, dibandingkan pada tekanan 4 dan 5 ton sebesar 25,6% dan 22%. Sedangkan pada material laminated memiliki porositas yang lebih kecil yaitu 3%.
4.3. Hasil Pengamatan Struktur Mikro 4.3.1. Pengamatan Permukaan (Foto Makro) Hasil pengujian perbandingan foto makro soft magnetik dapat dilihat pada gambar 4.4
30
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.4. Perbandingan foto makro soft magnetik dengan tekanan kompaksi (a) 4 ton (b) 5 ton dan (c) 6 ton pada perbesaran 4x lensa optik
Gambar 4.4 menunjukkan perbandingan foto makro dari spesimen soft magnetik yang terbuat dari serbuk besi dengan pengikat resin epoxy dan variasi tekanan kompaksi. Dari hasil pengamatan foto makro terlihat bahwa spesimen soft magnetik ini memiliki kepadatan yang cukup baik, meskipun di beberapa bagian terdapat pori-pori yang sering disebut void atau porositas yang ditunjukkan dalam lingkaran merah. Dari permukaan spesimen bisa terlihat bahwa pori-pori lebih banyak muncul pada spesimen soft magnetik dengan tekanan kompaksi 4 ton. Void semakin berkurang seiring penambahan tekanan kompaksi.
31
4.3.2. Pengamatan Struktur Mikro Untuk mengetahui morfologi/struktur mikro dari suatu zat padat, pada penelitian ini menggunakan pengamatan SEM (Scanning Electron Microscopy). Hasil pengujian struktur mikro menggunakan foto SEM dari soft magnetik dapat dilihat pada gambar 4.5 sampai 4.7. Tanda panah merah menunjukkan adanya porositas pada soft magnetic.
(a)
(b)
Gambar 4.5 Pengamatan porositas menggunakan SEM pada soft magnetik komposit dengan tekanan 4 ton pada perbesaran (a) 1000x dan (b) 100x
32
(a)
(b)
Gambar 4.6 Pengamatan porositas menggunakan SEM pada soft magnetik komposit dengan tekanan 5 ton pada perbesaran (a) 100x dan (b) 1000x
(a)
(b)
Gambar 4.7 Pengamatan porositas menggunakan SEM pada soft magnetik komposit dengan tekanan 6 ton pada perbesaran (a) 1000x dan (b) 100x
33
Berdasarkan hasil pengamatan SEM (gambar 4.5 sampai gambar 4.7) terlihat serbuk besi mempunyai bentuk yang irregular dan tidak sama. Hal ini akan berpengaruh pada distribusi serbuk dan friksi antar serbuk saat proses kompaksi. Selain itu, dari gambar 4.5 sampai 4.7 juga menunjukkan adanya porositas pada permukaan soft magnetik. Porositas mengindikasikan adanya celah/rongga yang diisi oleh gas atau lubricant. Hasil pembuatan soft magnetik komposit dari serbuk besi dan epoxy berdasarkan pengamatan SEM menunjukkan bahwa porositas pada tekanan 6 ton lebih sedikit bila dibandingkan dengan tekanan 4 ton maupun tekanan 5 ton. Semakin tinggi tekanan kompaksi maka porositas yang terbentuk semakin sedikit. Hal ini disebabkan karena tekanan kompaksi yang tinggi menyebabkan interaksi antar gesekan lebih tinggi sehingga mengurangi jumlah dari porositas. Porositas berpengaruh terhadap sifat mekanik, adanya porositas dapat menurunkan sifat mekanik karena porositas dapat mengakibatkan konsentrasi tegangan sehingga mudah untuk terdeformasi plastis (German, 1984). Saat penekanan pada proses kompaksi, serbuk akan saling mengunci atau sering disebut fase interlocking. Semakin tinggi gaya tekan yang diberikan maka kontak antar permukaan partikel serbuk semakin luas. Dari hasil SEM juga terlihat bahwa serbuk besi belum tercampur secara merata (homogen) pada resin epoxy, hal ini diperlihatkan oleh daerah hitam yang nampak pada struktur mikronya. Ketidakhomogenan ini disebabkan oleh tidak sempurnanya proses pencampuran manual (yang menggunakan adukan mortar tangan) antara serbuk besi dan resin epoxy. Selain itu, pengikat resin epoxy yang berwujud semi solid dapat menyebabkan paduan serbuk besi menggumpal dan sulit tercampur secara homogen.
34
4.3.3. Analisa Antar Muka Soft Magnetik Komposit Bahan komposit merupakan bahan gabungan suatu sistem material yang tersusun dari campuran atau kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utama yang secara makro berbeda dalam bentuk dan atau komposisi material yang tidak dapat dipisahkan (Schwartz, 1984). Perbedaan dan penggabungan dari unsur-unsur yang berbeda menyebabkan daerah-daerah batasan yang sering disebut interface.
Gambar 4.8 Pengamatan SEM bagian interface soft magnetik komposit pada tekanan 6 ton dengan perbesaran 1500x Pada gambar 4.8 menunjukkan ikatan antar muka pada soft magnetik komposit. Ikatan antar muka terlihat bahwa permukaan antar serbuk dan epoxy sudah cukup rapat dan baik, hal ini dikarenakan kehadiran fasa liquid berperan pada saat proses pencampuran basah yang akan membentuk ikatan pendular yang dapat meningkatkan kekuatan interface (German, 1984). Ikatan pendular merupakan mekanisme pembentukan ikatan pada partikel, dimana ruang antar partikel diisi sebagian oleh zat
35
pengikat dan membentuk jembatan cair antar partikel. Pada gambar 4.8 juga terlihat adanya rongga pada interface yang disebut porositas. Selain itu juga nampak adanya interface antara matrik dan serbuk maupun interface antar serbuk itu sendiri.
Gambar 4.9 Hasil SEM EDS Soft Magnetik dengan tekanan (a) 4 ton (b) 5 ton (c) 6 ton (d) laminated Dari hasil SEM EDS pada Gambar 4.9 dapat dilihat adanya unsur karbon (C) yang dominan dalam material soft magnetik. Adanya penambahan unsur karbon disebabkan karena pembuatan soft magnetik menggunakan pengikat resin epoxy yang mempunyai unsur utama carbon dan hydrogen (CH). Selain itu juga terdapat unsur oksigen (O) yang mengindikasikan adanya udara yang terjebak pada saat proses kompaksi.
Adanya
unsur
O
juga
menunjukkan
adanya
porositas
yang
mengindikasikan adanya kekosongan yang diisi oleh gas/udara. Dari gambar SEM
36
EDS terlihat unsur O semakin berkurang seiring meningkatnya tekanan kompaksi, menurut Asyer (2007) hal ini menunjukkan bahwa tekanan kompaksi yang tinggi menyebabkan ikatan butir serbuk menjadi lebih kuat dan rapat sehingga unsur O semakin berkurang.
Gambar 4.10 Diagram fasa Fe-C (Sumber: Fundamentals of Materials Science and Engineering 5th ed) Gambar 4.10 menunjukkan diagram fasa Fe-C yang digunakan untuk mengetahui fasa yang terjadi pada Fe-C jika diberi perlakuan panas. Serbuk soft magnetik terbuat dari bahan current laminated transformator yang mempunyai unsur dominan Fe dan karbon (C). Dalam proses pembuatan soft magnetic, serbuk besi terlebih dahulu diberi perlakuan panas pada suhu 600οC selama 1 jam dan di dinginkan secara perlahan di dalam furnace yang dimaksudkan untuk meningkatkan
37
sifat kemagnetannya (Edi, 2009). Saat diberi perlakuan panas maka unsur Fe akan berikatan dengan unsur O dan membentuk unsur Fe2O3. Serbuk besi laminated mempunyai kadar karbon sebesar 1% dan jika dipanaskan pada suhu 600οC dengan proses pendinginan lambat maka akan terbentuk fasa perlit yang merupakan campuran fasa ferrit dan sementit yang mempunyai sifat kuat, relatif lunak dan ulet. 4.4. Hasil Pengujian Kekerasan Vickers Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengukur nilai kekerasan suatu material. Kekerasan suatu material merupakan ketahanan material terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras, maka dalam pengujiannya dilakukan penekanan kepada benda uji untuk menghitung nilai kekerasannya. Berikut ini ditunjukkan contoh perhitungan kekerasan Vickers pada soft magnetik komposit dengan variasi tekanan kompaksi 6 ton di titik 1: HVN =
= = 43,3 kg/mm2 Keterangan : P = Beban yang diberikan (Kg) D = Rata-rata diagonal bekas penekanan (mm2) Hasil perhitungan kekerasan Vickers (VHN) untuk semua variasi tekanan kompaksi digunakan untuk membuat grafik hubungan pengaruh variasi tekanan kompaksi terhadap kekerasan pada soft magnetik komposit yang ditunjukkan pada Gambar 4.11.
38
Nilai Kekerasan Vickers (VHN)
45 41.22
40 35
35.1
30 27.62 25 20 15 10 4
5
6
Tekanan Kompaksi (Ton)
Gambar 4.11 Grafik pengaruh variasi tekanan kompaksi terhadap nilai kekerasan Vickers pada soft magnetik komposit Hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwa peningkatan tekanan kompaksi akan mengakibatkan peningkatan nilai kekerasan dari soft magnetik komposit. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi gaya tekan atau kompaksi yang diberikan pada serbuk akan mengakibatkan ikatan butir antar serbuk menjadi semakin kuat dan jarak antar partikel serbuk menjadi semakin rapat. Menurut Asyer (2007) dengan butiran partikel yang semakin rapat maka densitas bahan hasil kompaksi juga semakin besar. Berdasarkan gambar 4.11 nilai kekerasan soft magnetik optimal terjadi pada saat variasi tekanan kompaksi 6 ton. Tetapi nilai kekerasan spesimen soft magnetik masih dibawah spesimen laminated, hal ini disebabkan karena pada saat pembuatan soft magnetik, serbuk besi menggunakan pengikat epoxy yang memiliki sifat kekerasan yang rendah jika dibandingkan dengan kekerasan serbuk besi. Selain itu, dengan adanya proses kalsinasi pada serbuk besi akan menghasilkan struktur mikro berupa pearlit kasar yang relatif lunak dan ulet. Perlakuan annealing pada serbuk besi dimaksudkan untuk meningkatkan sifat kemagnetannya (Edi, 2009). Nilai kekerasan vickers paling tinggi pada spesimen laminated sebesar 79,4 VHN selanjutnya pada spesimen soft magnetik dengan variasi tekanan kompaksi 6 ton yang mempunyai kekerasan sebesar 41,22 VHN dan pada variasi tekanan kompaksi 5 ton sebesar 35,1 VHN. Sedangkan kekerasan paling
39
rendah pada variasi tekanan kompaksi 4 ton yang mempunyai nilai kekerasan 27,62 VHN.
