Prosiding Pertemuan Ilmiah Ibnu Pengetahuan dan Teknologi Balian 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN 1411-2213
PENGARUH SUHU SINTERING TERHADAP KETANGGUHAN RETAK DAN POROSITAS BAHAN TAHAN API BERKADAR ALUMINA TINGGI DARI BAUKSIT DAN FLINT Tjokorda Gde Tirta Nindhia1, I. B. Agra2, Jamasri3 daD Kusnanto4 IJurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bali,Fax: (0361 )70 1806 2Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta JJurusanTeknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta 4JurusanTeknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta
ABSTRAK PENGARUH SUHUSINTERINGTERHADAP KETANGGUHAN RETAK DAN POROSITASBAHANTAHAN API BERKADAR ALUMINA TINGGIDARI BAUKSIT DAN FUNT. Penelitianini bertujuanuntuk memperolehdatapengaruh suhu sintering terhadap ketangguhan retak dan porositas bahan tahan api berkadar alumina tinggi. Benda uji terbuat daTi bauksit daD flint dengan perbandingan berat 8:3. Proses sintering dilakukan pada variasi suhu sintering 1350°C, 1375°C, 1400°C, dan 1425°C. pengujian ketangguhan retak menggunakan metodefour-point bend te.ft,benda uji berbel1tuksingle edge notched beam. Pengujian porositas menggunakan standar ASTM C20-80a. Permukaan patahan diamati dengan stereo zoom microscope, daD komposisi fast yang terbentuk diuji dengan diffractometer sinar-X. Hasil pcngujian menunjukkan peningkatan suhu sintering menghasilkan ketangguhan retak yang semakin meningkat dan porositas yang semakin kecil. Fase yang terbentuk adalah corundum. cristobalite. hematite,mullite. anorthite dengankomposisi t"raksiberatlase yang berbeda sesuaidengan suhu sintering. Kata kunci : Bahan tahan api, alumina tinggi, .~intering, ketangguhan retak, porositas
ABSTRACT THE EFFECTS OF SINTERING TEMPERATURE TO THE FRACTURE TOUGHNESS AND POR OSITYOF HIGH ALUMINA REFRACTORY THAT IS MADE FROM BAUXITE AND FLINT. The purposc of this researchis to observe the effect of sintering temperature to the fracture toughness and porosity of high alumina refractory. The specimen was made from bauxite and flint in the ratio of 8:3 by weight, and sintered at 4 variations of temperature namely I3S0.C, I37S.C, I400.C, and l42S.C. A four-point bend test with single edge notched beam specimenwas used to measure its fracture toughness. The fracture surfaces were observed by using stereozoom microscope, meanwhile its porosity was determined according ASTM C20-80a. Phase compositions were characterized by using X-ray diffractometer. It is found that The fracture toughness of the specimen increases by increasing sintering temperature. Increasing sintering temflerature also affect on decreasing its porosity. By using X-ray diffractometer it is found that the phases that is formed are corundum, cristobalite, hematite, mullite, anorthite with different in traction depend on the sintering temperature Key words: Retractory, high alumina, sintering, tracture toughness, porosit)'
PENDAHULUAN Bahan alumina (~O J memiliki ketahananyang baik padabetbagailingkungankimia. Bahan aIwninajuga memiliki titik lelehyang tinggi (2020"C),sehinggaalumina merupakan bahan tahan api (refractory) yang populer dandigunakan pada berbagai industri [10]. Bahan tahan api berkadar alumina tinggi (high alumina refractory) didisain mendekati sistem biner AI2O)-SiO2dengan diagram rase seperti tampak pada GambarI. Kandungan alumina bahan tahan api berkadar alumina tinggi adalah diantara 70-90% dengan tujuan untuk menghindari memiliki 2 rase yaitumullite+liquid sesuai dengan diagram rase pada Gambar I. Dengan komposisi seperti itu sistem memiliki suhu peritik
162
l840°C [10]. Aluminamurnimemiliki titiklelehtertinggi pada sistem A12O)-SiO2,digunakan sebagaibahantahan api di pabrik baja [3], semen, gelas daD kowi untuk pengujian di laboratorium (laboratory crucible) [10]. Bahan alumina diperolehdari mineral alam seperti diaspore (Al,O).H2O), gibbsite (Al2O).3H2O), danjuga bauksit (A12O).2H.°). Pengolahan bahan alam yang mengandung alumina (diaspore, gibbsite, bauksit) menjadi alumina murnimemerlukan prosesyang panjang dan maha1[6,7,11], sehinggaalumina murni mempunyai hargayang tinggi. Secaraekonomitidak menguntungkan memproduksi bahan tahan api berkadar alumina tinggi menggunakan bahan alumina murni. Penelitian ini menggunakan bahan bauksit :;ebagai sumber alumina
PengaruhSuhu Sintering TerhadapKetangguhanRetakdon POTOSi/as Bahan TahanApi BerkadarAlumina Tinggi daTi Bauksit don Flint (Tjokorda Gde Tirta Nindhia)
Khusus untuk bahan keramik [2,8], metode pengukuran ketangguhan retak yang dikembangkan adalah model pengujianfour-point bend,dengan benda uji berbentuk balok dengan takik tunggal (single-edge notched beam test/SENE) seperti tampak pacta Gambar2. Pengujian ketangguhan retak dilakukan dengan membebanibenda uji sampai patah (failure). Besarnya ketangguhan retak (K,c) whitling dengan persamaan:
f E !~
l ~
(1) dengan:
Gambar 1. Diagram lase sistem biner AI.C,-SiC,
(Al2O3)daD flint sebagaisubersilika (SiOJ Kekuatan produk keramik dipengaruhi oleh berbagai parameter proses produksi, salah satu diantaranya adalah suhu saat proses L'iintering [2,7.8]. Suhu L'iintering berpengaruh terhadap komposisi rase yang terbentuk daD porositas produk, yang pacta akhirnya akan berpengaruh terhadap kekuatannya Pengujian ketangguhan retak merupakan pengujian kekuatan bahan yang didasarkan alas pendekatan disain mekanika perpatahan elastis linear (linear elastic fracture mechanic) yang merupakan perbaikan metode pendekatan disain sebelumnya, seperti empirical design, deterministic design, daD probabilistic design [8]. Mekanika perpatahan elastis linear merupakan metode pendekatan disain yang baik untuk bahan keramik atau bahan getas lainnya. Metode tersebut menyatakan bahwa setiap bahan mengandung cacatyang mengawali kegagalan. Kekuatan suatubahan dalam metode ini dinyatakan denganistilah ketangguhan retak (fracture toughnes,'i)disimbulkan dengan K1c'yaitu faktor intensitas tegangan (stres,'iintensity factor) pacta saat bahan mengalami kegagalan yang nilainya dipengaruhi oleh ukuran cacat [8].
A-
Ffail= bebanpacta saatbenda uji patah (N) ~ = faktor kalibrasi c = panjang retak awal (m) Sl = jarak roller bawah (m) S2 = Jarak roller alas (m) B = lebar benda uji (m) W = tinggi benda uji (m).
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkandata pengamh suhu .~intering terhadap ketangguhan retak daDporositas bahan tahan api berkadar alumina tinggi yang dibuat dengan menggunakan bauksit sebagai sumber alumina danjIint sebagai sumber silika. Data-
data yang diperoleh dapat digunakan sebagai pertimbangan dalam memproduksi bahan tahan api berkadaralumina tinggi sehingga didapat kekuatanyang baik dengan tidak mengesampingkan faktor-faktor lainnya.
METODA PENELITIAN Bahantahanapi berkadaralumina tinggi yang digunakan untuk percobaan terbuat daTi bauksit (Gambar3) sebagaisumberalumina danflint sebagai sumbersilika(Gambar4). Hasil analisis kimia bahan bauksit daDflint dengan menggunakan alat atomic absorption
f
~
w
A--
-7'
Gambar 2. Pengujianketangguhanretak model four-point bend
163
~k~~
Prosiding Pertemuan lbniah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN1411-2213
70mm
15 rnm
l
j~~J:_.:~ suduttakik=45° Gambar 5. Bentuk dan ukuran bendauji.
Gambar 4. Butiran flint (SiOz)
spectrometer(AAS) dapatdilihat padaTabell. Alat ini terdapatdi DirektoratVulkanologiYogyakarta Tabel 1. Hasil analisis kimia bahan bauksit clan flint yang digunakan dalam penelitian ini
Ketangguhanretak diuji denganalatservo pulzer; bukaan retak diukur dengan displacement gauge untuk memastikan benda uji berada dalam kondisi linear elastis. Alat servopulzer terdapatdi Laboratorium Bahan Teknik, Teknik Mesin UGM. Permukaanpatahandiarnati dengan stereo zoom microscope. Microskop jenis ini terdapat dijurusan D3 Teknik Mesin UGM, pengujian porositas dilakukan berdasarkan ASTM C20-80a. Komposisi rase yang terbentuk diuji dengan diffractometer sinar-X di PUS LIT IBID-LP ITS Surabaya.
BASIL DAN PEMBABASAN Hasi1pengujian ketangguhanretak dan porositas menunjukkan semakin tinggi suhu sintering ketangguhan retak semakin meningkat disertai dengan penurunan porositas seperti tampak pada Gambar 6. Pada suhu sintering 1350°C ketangguhan yang dimi1iki ada1ah 1,16 MPa.m1/2, dan porositasnya 20,211%. Peningkatan suhu ...intering mencapai 1425°C menyebabkanpeningkatan ketangguhanretak mencapai ni1ai 1,66 MPa.m1/2,dan porositas menurun mencapai harga 9,612%.
Pengamatanpermukaanpatahan dengan Bauksit danflint
dihancurkan
dengan pulver-
menggunakan stereo zoom microscope menunjukkan semakin tinggi suhu sintering menyebabkan ukuran cacatrongga (void) yang terjadi pada benda uji semakin
izer dan dihaluskan kembali denganjar-mill sampai mencapai ukuran butir 15-20 I.I.Inuntuk bauksit dan 11.l.In untuk flint. Bauksit dan flint dicampur dengan perbandingan berat 8: 3, dan ditambahkan air murni (pure water) sebanyak 10% berat agar dapat dicetak menjadi green body dengan dimensi seperti tampak pacta Gambar 5, dengan tekanan press sebesar 7000 N/cm2. Benda uji selanjutnya dikeringkan dalam oven selama 24 jam pacta suhu 120.C, dan selanjutnya memasuki
23 ,-..
(!
-6
1.5
18~
~
S
~
"1b
e0
tJ
13 Q,.
..z
proses sintering. Proses sintering dilakukan pacta 4 variasi suhu yaitu
1350.C,
1375.C,
1400.C,
merupakan daerah 3/4 -4/5
dan 1425.C,
yang
titik leleh bahan dimana
proses sintering oksida-oksida keramik selalu dilakukan [5,9]. Lajupemanasan dilakukanpada 3.C/menitdan penahanan selama 1 jam untuk masing-masing target variasi. Proses pendinginan dilakukan dengan pendinginan alami dalam tungku.
164
8 1350 1375 1400 1425
Suhu .'iintering (OC) Gamba, 6. Pengaruh suhu sintering terhadap ketanguhan retak daD porositas bahantahan api berkadar alumina tinggi.
PengaruhSuhu Sintering TerhadapKetangguhanRetak dan Poro.\"itas Bahan TahanApi BerkadarAlumina Tinggi dari Bauksit dan Flint (Tjokorda Gde Tirta Nindhia)
Gambar 7. Pengaruh suhu sintering terhadap pennukaan patahan benda uji. Terlihat semakin tinggi suhu sintermg menyebabkan ukuran cacat rongga (void) semakin kecil sehinga menurunkan porositas bend a uji
kecil seperti tampak pada Gambar 7. Dengan sernakin kecil cacat rongga yang terjadi rnenyebabkanporositas semakinkecil. Fase yang terbentuk untuk setiap variasi suhu sintering dapat diarnati pada Garnbar 8. Pengujian kornposisi frasi berat dilakukan dengan diffractometer sinal-X, rnenggunakan rnetode Rietved-Quasar dan profile fitting. Fase yang terbentuk adalah corundum (Al2O3)' cristobalite (SiOJ, Hematite (Fe2O3)'mullite (Al6S~OI3)' dan anorthite (CaAl2SiO2Os)untuk sernua variasi suhu sintering seperti tampak pada Tabel 2. Komposisi stabil mulai tercapai pada suhu 1375°Cyang ditandai dengan terbentuknya corundum (AI2O3) dan cristobali te (SiO J dengan perbandingan kornposisirase yang mirip dengn komposisi rasebenda uji yang dibuat denganvariasi suhu sintering 1400°C dan 1425°C.
KESIMPULAN Untuk bahan tahan api berkadar alumina tinggi yang dibuat daTi bauksit danflint dengan perbandingan berat 8:3, menggunakan bauksitdanflintsesuai dengan
komposisi
yang
dijelaskan
dalam
penelitian
ini
menunjukkan, peningkatan suhu ~'intering untuk variasi suhu .~intering diantara 3/44/5 titik leleh, menghasilkan ketangguhan retak yang semakin meningkat daD porositas yang semakin kecil. Pada suhu sintering 1350"C ketangguhan yang dirniliki adalah 1, 16MPa. m 1/2, daD porositasnya 20,21%. Peningkatan
suhu sintering
mencapai 1425"C menyebabkan peningkatan ketangguhan retak mencapai nilai 1,66 MPa.ml/\ daD porositas menurun mencapai harga 9,612%. Fase yang terbentuk adalah adalah corundum (AI2OJ, cristoba/ite (SiOJ, Hematite (Fe2O)), mu//ite (Al6Si2OI))' dan anorthite (CaAl2SiO2Os),
UCAPANTERIMAKASm Penulis mengucapkanterimakasih kepada pabrik Loka Refractory atas bantuan bahan bauksit dan flint yang digunakan dalam penelitian ini. Terimakasihjuga ditujukan kepada PUSLIT ffiID-LP ITS, Surabaya dan Direktorat Vulkanologi Yogyakarta atas bantuan pengujian difraktometer sinar-X dan AAS.
Tabet 2. Hasil pengujian komposisi rase yang terbentuk pada masing-masing variasi suhu sintering. Pengujiandilakukan dengandiffractometer sinar-X
Prosiding Pertemuan lbniah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
ISSN1411-2213
t~nIs
Gambar 8a. Faseyang terhentukpadasuhu sintering 1350 'C co"nm
Gambar 8b. Fase yang terbentuk pada suhu ,\'intering 1375 .C
DAFTAR PUSTAKA ANDERSON, J. C., LEAVER, K. D., RAWLINGS, andR. D., ALEXANDER, J. D., Material Science, London: Chapman& Hall, (1990) [21. BARSOUM, M. W., 1997, Fundamental of Ceramic,New York: McGraw-Hill Companies,Inc. f3]. HEDGE, S. B., CHATURVETI, S., Performance Evaluation of High-Alumina Brick.\" in Electric Arc Furnace and Ladles, Interceram, 46 (4) (1997)
[1],
233-237. [4], JASTRZEBSKI, Z. D., TheNature and Properties of Engineering MateriaL\",Canada: John Wiley & 166
Sons,Inc: (1977) [5]. KWON, S. Y., High Suhue Densification Fonning of Alumina Powder-Constitutive Model and Experiment,Journal ofEngineering Materials and Technology,118, (4), (1996)448-455. [6]. PURWANTO, W. W., SLAMET, WIBOWO, A., Pro.\'es Sinte.\'i.s- y-,4Iumina dari Bauksit Indonesia Menggunakan Jalur GibbsiteBoehmite-y-Alumina, Jurnal Tekno1ogi, 14 (3) (2001)0215-1685. [7]. REED, S. R., Principle.\' ofCeramic.s-Processing,
~
PengaruhSuhu Sintering TerhadapKetangguhanRetakdan Poro.\"itasBahan TahanApi BerkadarAlumina Tinggi dari Bauksit dan Flint (Tjokorda GdeTirta Nindhia)
counts
QI"fO"io"3'0..".0
"'6'o""""'e'o"""",,'..'.."."""",'
46-1212
'm.
1,
1~01
Gambar 8c. Faseyang terbentukpada suhu .\"intering1400 'C
Gambar 8d. Faseyang terbentuk padasuhu sintering 142SoC
NewYork: JohnWiley& Sons,Inc. (1995) [8]. RICHERSON,D. W.,ModernCeramicEngineering,NewYork: MercelDekker,Inc. (1992) [9]. RYSHKEWITCH,E., OxideCeramic,NewYork: AcademicPress.(1960) [10]. SHACKELFORD,J. F.,IntroductiontoMaterials Sciencefor Engineers,New York: Macmillan PublishingCompany.(1992) [11]. SOMIYA, S., .4dvancedTechnical Ceramic.~, Tokyo:AcademicPress.(1984)
Ke Daftar Isi 167
