PENGEMBANGAN ALUMINUM MATRIX COMPOSITE DENGAN MENGGUNAKAN PENGUAT SERBUK HASIL SINTESIS LIMBAH ABU TERBANG BATUBARA YANG DIPROSES DENGAN REAKSI CARBOTHERMAL REDUCTION

Sulardjaka, ST.,MT., Prof. Ir. Jamasri, Ph.D.

2011 | Disertasi | S3 Teknik Mesin

Abu terbang merupakan salah satu produk proses pembakaran batubara pada pembangkit. Abu terbang dikumpulkan secara elektrostatik atau pengendapan secara mekanis dari aliran gas pada dapur yang berbahan bakar batubara. Saat ini produksi abu batubara di dunia diperkirakan mencapai 600 juta ton, dengan jumlah abu terbang mencapai 500 juta ton. PLTU Suralaya merupakan salah satu pembangkit listrik di Indonesia yang menggunakan batubara sebagai sumber energi. Pada tahun 2005 abu terbang batubara yang dihasilkan PLTU Suralaya mencapai 0,2 juta ton. Limbah abu terbang yang tidak dimanfaatkan dibuang di tempat penimbunan. Peningkatan penggunaan abu terbang, selain dapat mengurangi biaya pembuangan sampah juga berpotensi mengganti bahan yang mahal. Penambahan abu terbang pada aluminium sebagai penguat dapat mengurangi densitas dan biaya. Sifat mekanis komposit aluminium yang diperkuat abu terbang memiliki keterbatasan karena sifat abu terbang. Tujuan penelitian ini adalah meningkatkan sifat penguat abu terbang batubara pada matrik aluminium dengan mengolah limbah abu terbang dengan proses carbothermal reduction. Sebagai bahan karbon digunakan serbuk karbon aktif dengan ukuran kurang dari 32 > µm. Proses carbothermal reduction bertujuan untuk mereaksikan SiO2 dengan karbon agar terbentuk SiC, sehingga meningkatkan sifat penguatan limbah abu terbang batubara. Proses carbothermal reduction dilakukan pada temperatur 1200, 1300 dan 1400 o C pada kondisi vakum dengan waktu penahanan 2 jam. Hasil sintesis dianalis dengan difraksi sinar X menggunakan radiasi Cu Kα, FTIR dan SEM yang di-fitting dengan EDS. Kandungan β-SiC yang dihasilkan diestimasi dengan melakukan perbandingan puncak – puncak diffraksi β SiC dengan puncak difraksi milik senyawa yang lain. Cycling synthesis dikembangkan untuk meningkatkan jumlah β SiC yang dihasilkan pada temperatur sintesis 1300 dan 1400 o C. Produk hasil sintesis kemudian digunakan sebagai penguat pada komposit dengan matrik logam aluminium. Komposit bermatrik logam aluminium dibuat dengan teknik metalurgi serbuk. Serbuk aluminum fine powder (99,9 %) produk Merck digunakan sebagai bahan matrik. Serbuk aluminium dan produk sintesis dicampur dengan menggunakan turbula mill dengan fraksi berat penguat : 5, 10 dan 15 %. Kompaksi dilakukan secara uni-axial dengan tekanan 300 MPa. Green body disinter pada temperatur 550 dan 600 o C selama 2 jam dengan aliran gas argon. Kekuatan bending diuji dengan metode uji bending empat titik berdasarkan standarisasi ASTM C1161. Kekerasan bahan komposit diuji dengan uji kekerasan Brinell. Ketahanan aus diuji dengan mesin uji keausan Ogoshi High Speed Universal Wear Testing Machine. Densitas komposit diuji berdasarkan hukum Archimedes. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses carbothermal reduction menghasilkan serbuk β-SiC. Serbuk β-SiC terbentuk pada temperatur sintesis 1300 o C dengan waktu penahanan 2 jam. Persentase serbuk β-SiC yang dihasilkan meningkat dengan meningkatnya jumlah cycling synthesis. Metode cycling synthesis menghasilkan kontak baru antara serbuk karbon dan SiO2 dan mempercepat proses difusi dan meningkatkan β-SiC yang tersintesis. Proses carbothermal reduction menghasilkan senyawa SiC sebanyak 53,5 %, Fe3Si sebanyak 7,1 %, albite sebanyak 21,4 % dan quartz sebanyak 17,8 %. Hasil penelitian menunjukkan densitas komposit turun dengan meningkatnya temperatur sinter dan % berat penguat. Porositas komposit meningkat dengan meningkatnya temperatur sinter dan % berat penguat. Kekerasan komposit meningkat dengan meningkatnya % berat serbuk penguat. Kekerasan tertinggi sebesar BHN 145 pada komposit dengan persentase serbuk penguat 15 % yang disinter pada temperatur 550 o C selama 2 jam. Peningkatan penambahan % berat serbuk penguat meningkatkan ketahanan aus bahan komposit. Kekuatan bending komposit yang diperkuat limbah abu terbang yang diproses dengan reaksi carbothermal reduction sebanyak 5, 10 dan 15 % secara berturut – turut adalah 103, 107 Mpa, dan 115 MPa.

Fly ash is a by product of the burning process at coal-fired power plant. Fly ash is obtained by electrostatic or mechanical precipitation from the flue gases of furnaces fired with pulverized coal. The current annual production of coal ash world wide is estimated around 600 millions tons, with fly ash constituting about 500 millions tons. Suralaya power plant, one of the Indonesia’s power plants that uses coal, produces about 0.2 millions tons fly ash in 2005. A substantial amount of fly ash is still disposed of in landfill. Increasing the amount of fly ash being reutilized will be minimized disposal cost, less area is reserved for disposal and replaced some scarce or expensive natural resources. The addition of fly ash into aluminum as reinforcement can potentially reduce the production cost and density of aluminum. However, mechanical properties of aluminum matrix composite reinforced by fly ash (MMC ALFA) have some limitations due to the characteristic of fly ash. In this study, a carbothermal reduction process of fly ash and activated carbon powder with particle size < 32 μm. The objective of carbothermal reduction process of fly ash and activated carbon powder is to react SiO2 and carbon to from SiC. The carbothermal reduction process of fly ash and activated carbon powder was performed prior to produce MMC ALFA. Carbothermal reduction process has been carried out at temperature 1200 o C, 1300 o C and 1400 o C under vacuum. Holding time of the synthesis process was 2 hours. Synthesized products were examined by X-ray powder diffraction (XRD) using Cu Kα radiation, Fourier transformation infrared spectrometer (FTIR) and SEM fitted with EDS. The amount of β-SiC yield in each process was estimated by comparing the relative height of the β-SiC diffraction peaks with that of all diffraction peaks. Cycling synthesis process has been developed for increasing SiC yield at the temperature synthesis 1300 o C and 1400 o C. After synthesis process, synthesized product was used as reinforcement powder on aluminum matrix composite. Metal matrix composite was prepared by powder metallurgy technique. Commercially pure (99,9 %) aluminum fine powder supplied by Merck was used in this experiment. Aluminum fine powder was mixed in turbula mill with 5, 10 and 15 % weight fraction of the carbothermal reduced product, and then uniaxially compacted at pressure of 300 MPa. The green body was sintered in argon atmosphere at temperature 550 and 600 o C for 2 hours. Flexural properties was tested by four point flexural test based on ASTM C1161 standard. Hardness of MMC product was tested by brinell hardness test. Wear resistance of MMC was tested by Ogoshi High Speed Universal Wear Testing Machine. Density of composite was tested based Archimedes method. The experiment results show that carbothermal reduction process can produce β-SiC powder. β-SiC successfully synthesizes at temperature 1300 o C for 2 hours. Percentage of β-SiC yield increases by the cycling synthesis. The cycling synthesis process produces new contact point between silicon and carbon and promotes the diffusion rate. Carbothermally reduced of fly ash contains : 53.5 % SiC; 7.1 % Fe3Si; 21.4 % albite and 17.8 % SiO2 (quartz). Density of composites decreases by increasing sintering temperature and % wt of reinforcement powder. Porosity of MMCs increases with increasing sintering temperature and % wt reinforcement. Both at sintering temperature 550 and 600 o C, hardness of composite increases with the increasing % wt , higher hardness is 145 BHN at 15 % wt of reinforcement powder and sintering temperature 550 O C. Increasing % wt reinforcement powder is also increase wear resistance of MMC. Flexural strength carbothermally reduced of fly ash reinforced aluminum composites with 5, 10 and 15 % wt are 103, 107 and 115 MPa respectively. Carbothermal reduction of fly ash increases fly ash as reinforcement powder.

Kata Kunci : abu terbang, komposit, aluminium, carbothermal reduction