Pengaruh penambahan partikel Chromium terhadap sifat fisis dan mekanis Al2O3 yang mengandung 20 persen berat SiO2

SUBARDI, Ir. M. Waziz Wildan, MSc.,Ph.D

2004 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Keramik merupakan salah satu material teknik yang sedang dikembangkan, bahan keramik mempunyai banyak keunggulan diantaranya: titik cair tinggi, kekerasan tinggi, tahan gesekan, tahan korosi, densitas relatif rendah, koefisien muai panas rendah dan lainnya. Namun demikian untuk aplikasi di bidang teknik, keramik mempunyai kelemahan yaitu bersifat getas dan ketangguhan retak (fracture toughness) rendah. Pembuatan Ceramic Matrix Composites (CMC) merupakan salah satu solusi untuk mengurangi kelemahan yang ada pada keramik tersebut. Komposit matrik alumina keramik (Al2O3) yang mengandung 20 % berat silica (SiO 2) yang diperkuat dengan 0, 3, 6, 9, 12 dan 15 % volume partikel chromium (Cr) dimaksudkan untuk meningkatkan ketangguhan terhadap retak (fracture toughness) dan kekuatan bending pada komposit telah dibuat dengan metode pressureless sintering. Masing-masing komposisi di-mixing dengan proses basah (dengan alkohol) selama 5 jam, dikeringkan selama 24 jam pada temperatur kamar dan dilanjutkan dengan mixing kering selama 5 jam. Pembuatan spesimen berbentuk silindris (diameter d = 15 mm; tebal t = 5 mm), balok (panjang, L = 50 mm; lebar, B = 7 mm; tinggi, W = 8 mm) dan balok dengan ukuran sama yang diberi takikan 45o sebagai retak awal dilakukan dengan uniaxial-pressing pada tekanan 120 MPa. Sintering dilakukan di lingkungan argon dengan laju pemanasan 3oC/menit sampai 800oC dan ditahan selama 30 menit, kemudian dinaikkan dengan laju pemanasan 5oC/menit hingga temperatur 1450oC dan ditahan selama 60 menit. Pendinginan dilakukan di dalam furnace dengan cara mematikan power ke-furnace. Pengukuran densitas menggunakan teori Archimedes dan hasilnya sebesar 93,51 % diperoleh pada spesimen dengan 9% volum Cr pada temperatur 1450oC. Pengujian kekerasan Vickers dengan beban 153,2 N menunjukkan penurunan kekerasan bahan dari 892 MPa (tanpa penguat Cr) menjadi 329 MPa (komposit dengan 15 % volume Cr). Pengujian fracture toughness dilakukan dengan metode single-edge notched beam (SENB) menunjukkan peningkatan harga fracture toughness dari 0,53 MPa m1/2 (tanpa penguat Cr) menjadi 0,89 MPa.m1/2 pada komposit dengan 9% Cr. Pengujian kekuatan bending dilakukan dengan metode four point bending test memberikan peningkatan bending dari 31,68 MPa (tanpa penguat Cr) menjadi 37,70 MPa pada komposit dengan 12% volume Cr. Peningkatan ketangguhan retak terjadi dengan mekanisme crack deflection dan percabangan retak (crack branching).

Ceramics are materials which generally have excelent properties such as high melting point, high hardness, good wear resistance, good corrosion resistance, relatively low density, low thermal expansion, relatively low thermal and electrical conductivity. Ceramics however have limitation in engineering applications because of their brittleness and low fracture toughness. Introduction ductile metal as reinforcement into ceramic matrix has become away to overcome such its drawback and increase fracture toughness since the ductile metal may reduce crack propagation. Alumina is an interesting ceramic material for developing ceramic-metal composites. The present study aims to investigate the effect of chromium particles addition on physical and mechanical properties of alumina. Alumina (containing 20% weight SiO2) as a matrix was reinforced with (0, 3, 6, 9, 12 and 15% volume) of chromium. Each composition was wet-mixed in alcohol for 5 hours. The mixture was then dried in air for 24 hours and followed by dry-mixed for 5 hours. Three deferent dimensions of green samples i.e. cylindrical with 15 mm diameter, bar (length L = 50 mm, width B =7 mm and thickness W = 8 mm) and bar (legth L = 50 mm, with B = 7 mm and thickness W = 8 mm ) with a v-notch were prepared by using uni-axial steel die with a pressure of 120 MPa. The cylindrical samples were pressureless sintered in a horizontal tube furnace with a heating rate of 3oC/minute up to 800oC to the sintering temperature (1400,1425 and 1450oC) with a heating rate of 5oC/minute and a holding time for 60 minutes at that temperature. The speciment was cooled from the sintering temperature by switched the furnace power off. Sintering at 1450oC was found to be the optimum temperature to get highest density of samples and this temperature was chosen to produce samples for mechanical testing. Hardness of the samples was measured using Vickers hardness test with a load of 153.2 N and the result shows that the Vickers hardness decreases from 892 MPa (without reinforcement Cr) to 329 MPa for composites with 15 % vol Cr. This increase of Vickers hardness is due to Cr having lower Vickers hardness than that of alumina matrix. Single-Edge Notched beam method was used for fracture toughness measurement. The fracture toughness slightly increases from 0.53 MPa.m1/2 (without reinforcement Cr) to 0.89 MPa.m1/2 for composites with 9 % volume Cr. Four point bending method was used for bending strength measurement. The bending strength slightly increases from 31,68 MPa (without reinforcement Cr) to 37,70 MPa for composites with 12 % volume Cr. The increase of fracture toughness occurs due to crack deflection and crack branching mechanisms.

Kata Kunci : alumina, silica, chromium, pressureless sintering, fracture toughness, densitas, alumina, silica, chromium, pressureles sintering, fracture toughness, density