Studi Sifat Mekanik Ketangguhan Retak pada Komposit Keramik Kaolin/Zirconia Menggunakan Metode Pengujian Ball On Three Ball

RIZ RAHARYAN T, Ir. M. Waziz Wildan, M.Sc., Ph.D.

2019 | Skripsi | S1 TEKNIK MESIN

Material refraktori merupakan material yang digunakan untuk struktur atau komponen yang beroperasi pada temperatur tinggi tanpa mengalami degradasi fisis maupun kimiawi. Keramik merupakan material yang tepat dalam pembuatan refraktori, karena memiliki sifat stabil pada temperatur tinggi dan memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi. Dua material keramik yang sering digunakan karena berpotensi baik adalah mullite dan zirconia. Mullite merupakan memiliki kekuatan mekanik tinggi, resistansi creep, dan koefisien ekspansi termal rendah. Mullite sendiri bisa didapatkan dengan menguraikan material kaolin pada suhu di atas 1100°C. Sedangkan zirconia secara luas digunakan sebagai bahan penguat untuk keramik lainnya karena memiliki sifat mekanis yang baik, terlebih zirconia memiliki mekanisme perlindungan terhadap retak sehingga dapat meningkatkan ketangguhan retak suatu material. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mengetahui sifat mekanik ketangguhan retak komposit keramik zirconia toughened mullite dengan turut melihat karakteristik sifat fisis material tersebut. Penelitian ini memvariasikan komposisi spesimen dengan melakukan penambahan material zirconia dari 5-50% fraksi berat pada material kaolin, sehingga menciptakan produk akhir berupa komposit keramik kaolin/zirconia dan material zirconia 100% serta kaolin 100% sebagai bahan komparasi. Kedua serbuk keramik melewati proses pencampuran, kemudian dipadatkan dengan tekanan 10-30 MPa dan ditahan selama 10 menit untuk membentuk greenbody berdimensi 15 mm untuk pengujian sifat fisis dan 30 mm untuk pengujian ketangguhan retak. Proses pembakaran menggunakan metode pressureless sintering dengan temperatur pemanasan 1450°C, laju pemanasan 10°C/menit dan ditahan selama 2 jam, kemudian didinginkan dengan laju pendinginan 10°C/menit. Sebelum dilakukan pengujian kekuatan K1C, spesimen di polish dan dilakukan indentasi menggunakan Vickers untuk membuat initial crack. Kemudian pengujian K1C dilakukan dengan menggunakan metode Ball on Three Ball. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa dengan bertambahnya fraksi berat zirconia, maka densitas komposit meningkat dan tingkat porositas menurun. Selain itu penambahan fraksi berat zirconia juga cenderung membuat kekerasan Vickers mengalami peningkatan. Sejalan dengan hal tersebut, hasil pengujian ketangguhan retak menunjukkan bahwa penambahan fraksi berat zirconia cenderung membuat nilai K1C komposit meningkat. Ketangguhan retak tertinggi dimiliki oleh spesimen dengan komposisi 75% kaolin - 25% zirconia dengan nilai K1C sebesar 2, 325± 0,31) MPa.m0,5 dan ketangguhan retak paling rendah dimiliki oleh spesimen dengan komposisi 95% kaolin - 5% zirconia dengan nilai K1C sebesar (1,546± 0,12) MPa.m0,5

Refractory material is a material used for structures or components that operate at high temperatures without undergo physical or chemical degradation. Ceramic is the right material in making refractories, because it has stable properties at high temperatures and has good resistance to corrosion. Two ceramic materials that are often used because of their good potential are mullite and zirconia. Mullite has high mechanical strength, creep resistance, and low coefficient of thermal expansion. Mullite itself can be obtained by breaking down the kaolin material by heating it up to temperatures above 1100°C. While zirconia is widely used as a reinforcement for other ceramics because it has good mechanical properties, especially zirconia has a crack-shielding mechanism that can increase the fracture toughness of material. The main objective of this study was to determine the fracture toughness of zirconia toughened mullite ceramic composite cracks by also looking at the characteristics of the physical properties of the material. This study varied the composition of spesimens by adding zirconia material from 5-50% weight fraction to the kaolin material, thus creating the final product in the form of kaolin / zirconia ceramic composite and also 100% zirconia material and 100% kaolin as comparative materials. The two ceramic powders go through the mixing process, then compressed with a pressure of 10-30 MPa and held for 10 minutes to form a 15 mm dimension greenbody for physical properties testing and 30 mm for fracture toughness testing. The greenbody was pressureless sintered at temperature 1450° C, with heating rate of 10°C/minute and held for 2 hours, then cooled to room temperature with cooling rate of 10°C/minute. Before fracture toughness testing, the spesimens were polished and indented using Vickers to make an initial crack. Then K1C testing was done by using the Ball on Three Ball test method. The results of this study indicate that by increasing the weight fraction of zirconia, the composite density increases and lower porosity level. In addition, by increasing the weight fraction of zirconia also tends to material hardness better. In line with that, the results of fracture toughness testing indicate that the addition of zirconia tends to make the composite K1C value increase. The highest fracture toughness value is owned by spesimens with composition of 75% kaolin - 25% zirconia with K1C value of 2,32 ± 0,31) MPa.0,5 and the lowest fracture toughness is owned by spesimens with composition of 95% kaolin - 5% zirconia with K1C value of (1,54± 0,12) MPa.m0,5

Kata Kunci : kaolin, zirconia, ketangguhan retak, ball on three ball test