Materi Kuliah Pertemuan Ke-9( 29 Mei 2011 )

Mata Kuliah : Proses Produksi

Dosen : Popy Yuliarty,ST,MT

Fakultas Teknologi IndustriJurusan Teknik Industri

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 1

Bab 9

Pemrosesan keramik

9.1. Pendahuluan

Keramik pada awalnya berasal dari bahasa Yunani keramikos yang artinya suatu

bentuk dari tanah liat yang telah mengalami proses pembakaran.Kamus dan ensiklopedia

tahun 1950-an mendefinisikan keramik sebagai suatu hasil seni dan teknologi untuk

menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar, seperti gerabah, genteng, porselin, dan

sebagainya. Tetapi saat ini tidak semua keramik berasal dari tanah liat. Definisi pengertian

keramik terbaru mencakup semua bahan bukan logam dan anorganik yang berbentuk padat.

Umumnya senyawa keramik lebih stabil dalam lingkungan termal dan kimia

dibandingkan elemennya. Bahan baku keramik yang umum dipakai adalah felspard, ball

clay, kwarsa, kaolin, dan air.

Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia dan mineral

bawaannya. Oleh karena itu sifat keramik juga tergantung pada lingkungan geologi dimana

bahan diperoleh. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron-elektron

bebas. Kurangnya beberapa elektron bebas keramik membuat sebagian besar bahan

keramik secara kelistrikan bukan merupakan konduktor dan juga menjadi konduktor panas

yang jelek. Di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh, keras, dan kaku. Keramik secara

umum mempunyai kekuatan tekan lebih baik dibanding kekuatan tariknya.

Pada tahun 1992 Jepang mentargetkan mesin-mesin mobilnya berbagian keramik

sekitar 7-8 Kg sedangkan Eropa antara 1-2 Kg

Keramik dinilai dari propertinya. Kegunaan keramik beragam disesuaikan dengan

kemampuan dan daya tahannya. Keramik dengan properti elektrik dan magnetik dapat

digunakan sebagai semikoncuktor, konduktor dan magnet. Keramik dengan properti yang

berbeda dapat digunakan pada aerospace, biomedis, konstruksi bangunan, dan industri

nuklir. Beberapa contoh penggunaan keramik industri:

Peralatan yang dibuat dari alumina dan silikon nitrida dapat digunakan sebagai

pemotong, pembentuk dan penghancur logam.

Keramik tipe zirconias, silikon nitrida maupun karbida dapat digunakan untuk saluran

pada rotorturbocharger diesel temperatur tinggi dan Gas-Turbine Engine.

Keramik sebagai semikonduktor adalah barium titanate (BaTiO3) dan strontium titanate

(SrTiO3). Sebagai superkonduktor adalah senyawa berbasis tembaga oksida.

Keramik dengan campuran semen dan logam digunakan untuk pelapis pelindung panas

pada pesawat ulang-alik dan satelit.

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 2

Keramik Biomedical jenis porous alumina digunakan sebagai implants pada tubuh

manusia. Porous alumina dapat berikatan dengan tulang dan jaringan tubuh.

Butiran uranium termasuk keramik yang digunakan untuk pembangkit listrik tenaga

nuklir. Butiran ini dibentuk dari gas uranium hexafluorida (UF6).

Keramik berbasis feldspar dan tanah liat digunakan pada industri bahan bangunan.

Keramik juga digunakan sebagai coating (pelapis) untuk mencagah korosi. Keramik

yang digunakan adalah jenis enamel. Peralatan rumah tangga yang menggunakan

pelapisan enamel ini diantaranya adalah kulkas, kompor gas, mesin cuci, mesin

pengering.

9.2. Klasifikasi keramik

Pada prinsipnya keramik terbagi atas:

1. Keramik tradisional

Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan menggunakan bahan alam,

seperti kuarsa, kaolin, dll. Yang termasuk keramik ini adalah: barang pecah belah

(dinnerware), keperluan rumah tangga (tile, bricks), dan untuk industri (refractory).

Keramik tradisional seperti porcelain, ubin (keramik lantai) dan tembikar dibuat dari

bubuk yang terdiri dari berbagai material seperti tanah liat (lempung), talc, silika dan

faldspar.

2. Keramik modern

Fine ceramics (keramik modern atau biasa disebut keramik teknik, advanced ceramic,

engineering ceramic, techical ceramic) adalah keramik yang dibuat dengan

menggunakan oksida-oksida logam atau logam, seperti: oksida logam (Al2O3, ZrO2,

MgO,dll). Sebagian besar keramik industri dibentuk dari bubuk kimia khusus seperti

silikon karbida, alumina dan barium titanate. Penggunaannya: elemen pemanas,

semikonduktor, komponen turbin, dan pada bidang medis.

Keramik dapat pula diklasifikasikan menjadi :

1. Keramik struktural

Keramik struktural, termasuk nitrida, karbida, aluminium oksida/alumina, zirkonium,

disebut juga termomekanis karena tahan kejutan termal dan mekanis.

Ciri keramik struktural

a. memiliki tahanan lebih baik terhadap suhu tinggi (di atas 1000oC),

b. tahan korosi terhadap lingkungan yang ganas,

c. bahan keramik kurang rapat jika dibandingkan dengan baja (sekitar setengahnya),

hal ini menjadikannya lebih ringan dari baja, maka keramik sering dibuat untuk

mesin mobil, pesawat

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 3

d. mudah menghalau panas karena daya hantar termal keramik cukup baik, maka

keramik juga digunakan untuk sistem pendingin mesin, wadah piranti sirkuit

elektronik yang terbuat dari aluminium oksida atau nitrida.

Lihat tabel 9.1 Potret dunia keramik struktural.

Tabel 9.1 Potret dunia keramik struktural

2. Keramik elektronik/elektroteknik (fungsional).

Keramik fungsional misalnya silikon dalam semikonduktor, kobalt dan zirkonium oksida

yang banyak digunakan sebagai sensor. Silikon nitrida banyak digunakan untuk : turbin

turbokompresor mesin disel, isolator bagian mesin yang panas

Tabel 9.2. Potret dunia keramik fungsional

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 4

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 5

Tabel 9.3. Keramik canggih yang menyerbu industri konstruksi

3. Biokeramik ( bisa tergolong struktural maupun fungsional

Biokeramik adalah keramik yang digunakan untuk memperbaiki atau merekonstruksi

bagian tubuh yang terkena penyakit atau cacat. Biokeramik itu dapat berupa :

a. Kristal tunggal (saffir)

b. Polikristal (alumina atau hidroksiapatif)

c. Gelas

d. Gelas keramik

e. Komposit (baja-stainless-gelas yang diperkuat serat atau polietilen-hidroksiapatit)

Pengelompokan biokeramik :

a. Biokeramik bioinert, misalnya alumina, zirkonia

b. Biokeramik terserap ulang yaitu trikalsium fosfat

c. Biokeramik bioaktif, misalnya hidroksiapatit, gelas bioaktif, gelas keramik

d. Biokeramik berpori untuk penumbuhan dalam jaringan, misalnya logam terlapis

hidroksiapatit, alumina.

Yang sedang trendi adalah penggunaan biokeramik sebagai implantasi untuk

memperbaiki bagian tubuh, biasanya jaringan keras sistem otot-rangka, disamping

pelapis karbon yang dipakai untuk katup jantung.

Respon yang mungkin terjadi pada kasus kesehatan adalah :

1. Bila bahan biokeramik itu beracun, jaringan disekitarnya akan mati

2. Bila bahan tak beracun dan tak aktif biologis akan terbentuk jaringan serat bertebal

aneka ukuran.

3. Bila bahan tak beracun dan aktif-biologis (bioaktif), akan terjadi ikatan antar muka

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 6

4. Bila bahan tak beracun dan melarut, jaringan hidup disekitarnya akan

menggantikannya.

Ke-4 macam respon tersebut memungkinkan berbagai cara untuk

melekatkan/mempertautkannya dengan sistem otot-kerangka.

Tabel 9.4 di bawah ini adalah mekanisme pertautan biokeramik dengan jaringan tubuh

manusia.

Tabel 9.4 Mekanisme pertautan biokeramik

9.2. Proses Pembentukan Keramik

9.2.1 Proses membuat bubuk

Lempung merupakan bahan mentah keramik terpenting bagi produk keramik

tradisional. Lempung berciri khas bagi teknik bentukan keramik. Bentukan dari bubuk

berkaitan dengan jumlah lempung terhadap air. Idealnya terdiri dari 70% butiran kasar dan

30% butiran halus.

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 7

Biasanya bubuk diproses basah. Bubuk diaduk basah sehingga tercampur merata

serta berkurang ukuran partikelnya, air dihilangkan secukupnya. Gambar 9.1 di bawah ini

adalah proses basah membuat bubuk

Gambar 9.1 di bawah ini adalah proses basah membuat bubuk

Untuk membuat komponen kecil dan rumit pada penggunaan teknik/rekayasa serta

elektronik, maka digunakan proses pengempaan. Pengempaan kering ialah pemampatan

sehingga volume lebih kecil dengan bantuan tekanan sehingga terjadilah jejalan partikel dan

terbentuk ikatan partikel. Proses kempa kering dimulai dengan :

1. mengisi rongga die dengan bubuknya, lalu diberi tekanan dari desakan kempa atas

dan bawahnya.

2. Setelah dikempa, produk dipindahkan dan proses pengisian berulang.

Setelah pemurnian, sedikit wax (lilin) biasanya ditambahkan untuk meekatkan bubuk

keramik dan menjadikannya mudah dibentuk. Plastik juga dapat ditambahkan untuk

mendapatkan kelenturan dan kekerasan tertentu. Bubuk tersebut dapat menjadi bentuk

yang berbeda-beda dengan beragam proses pembentukan (molding).

Proses pembentukan ini diantaranya adalah slip casting, pressure casting, injection

molding, dan extruction. Setelah dibentuk, keramik kemudian dipanaskan dengan proses

yang dikenal dengan nama densifikasi (densification) agar material yang terbantuk lebih kuat

dan padat.

1. Slip Casting. Slip Casting adalah proses untuk membuat keramik yang berlubang.

Proses ini menggunakan cetakan dengan dinding yang berlubang kecil dan

memanfaatkan daya kapilaritas air. Adonan dituangkan ke cetakan (yang terbuat dari

plester Paris) berpori agar air hilang dan bubuknya memampat. Biasanya digunakan

untuk membuat bentuk kompleks besar, misalnya peralatan toilet atau bila jumlah

komponen yang dibuat tidak terlalu banyak. Lihat gambar 9.2.

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 8

Gambar 9.2. Slip casting untuk membuat barang keramik

2. Pressure Casting. Pada proses ini, bubuk keramik dituangkan pada cetakan dan diberi

tekanan. Tekanan tersebut membuat bubuk keramik menjadi lapisan solid keramik yang

berbentuk seperti cetakan. Jigger dilakukan untuk membuat alat-alat makan, dengan

cetakan putar untuk membentuk satu permukaan sedangkan permukaan lainnya

terbentuk oleh putaran massa plastiknya sendiri pada piranti lengkung. Cara ini

digunakan untuk membuat mangkuk, piring dsb. Lihat gambar 9.3.

Gambar 9. 3. Bagan piranti jigger

3. Injection Molding. Proses ini digunakan untuk membuat objek yang kecil dan rumit.

Metode ini menggunaan piston untuk menekan bubuk keramik melalui pipa panas

masuk ke cetakan. Pada cetakan tersebut, bubuk keramik didinginkan dan mengeras

sesuai dengan bentuk cetakan. Ketika objek tersebut telah mengeras, cetakan dibuka

dan bagian keramik dipisahkan.

4. Extrusion. Extrusion adalah proses kontinu yang mana bubuk keramik dipanaskan

didalam sebuah tong yang panjang. Terdapat baling-baling yang memutar dan

mendorong material panas tersebut kedalam cetakan. Karena prosesnya yang kontinu,

setelah terbentuk dan didinginkan, keramik dipotong pada panjang tertentu. Proses ini

digunakan untuk membuat pipa keramik, ubin dan bata modern.

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 9

9.2.2.Densifikasi

Proses densifikasi menggunakan panas yang tinggi untuk menjadikan sebuah keramik

menjadi produk yang keras dan padat. Setelah dibentuk, keramik dipanaskan pada tungku

(furnace) dengan temperatur antara 1000 sampai 1700 C. Pada proses pemanasan,

partikel-partikel bubuk menyatu dan memadat. Proses pemadatan ini menyebabkan objek

keramik menyusut hingga 20 persen dari ukuran aslinya.

Tujuan dari proses pemanasan ini adalah untuk memaksimalkan kekerasan keramik

dengan mendapatkan struktur internal yang tersusun rapih dan sangat padat.

Agar air verlebih bisa dihilangkan , maka air harus dihilangkan. Ada beberapa jenis air

pada keramik yatiu :

1. Air suspensi dari slip casting

2. Air antar partikel dari bentukan plastik

3. Air pori antarpartikel setelah pengerutan

4. Air terjerap atau terabsorbsi pada partikel

Proses pengeringan akan disertai pengerutan serta pemampatan, juga menambah

kekuatan karena air terbagi bersama. Pembakaran atau sintering memampatkan bubuk

keramik menjadi massa koheren. Permukaan mengecil, volume berkurang (rterjadi

pengerutan), bertambah kuat pula produknya karena butiran-butiran saling lebur menyatu.

Sintering merupakan perpindahan bahan untuk mengurangi porositas. Mekanisme

yang terlibat pada sintering yaitu :

1. Aliran kental atau aliran plastik

2. Penguapan dan pengembangan (kondensasi)

3. Pelarutan dan pengendapan

Pemampatan merupakan akibat peleburan dan berkurangnya porositas (lihat gambar 9.4)

Gambar 9.4 Pemampatan karena leburan dan pengurangan pori

Pengerutan disertai pertukaran bahan dan karena saling merekat maka akan bertambah

kuat. Gambar 9.5 di bawah ini adalah grafik daur pembakaran keramik.

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 10

Gambar 9.5. Daur pembakaran keramik

9.2.3 Bentukan dari leburan

Kurva pendinginan ialah grafik yang menggambarkan perubahan suhu sebagai fungsi

waktu bagi bahan tertentu. Gambar 9.6 adalah kurva pendinginan bahan kristal dan bukan

kristal.

Gambar 9.6 adalah kurva pendinginan bahan kristal dan bukan kristal.

Bahan kristal di saat mendingin dari keadaan eleh akan berada pada titik suhu tetap

untuk beberapa saat. Terdapat fasa cair dan padat. Bila setimbang, bahan tidak dapat

didinginkan sampai seluruh cairan berubah menjadi padatan dan sebaliknya.

Bahan non kristal atau gelas, tak ada patahan pada kurva. Jadi tak jelas kapan terjadi

perubahan cair-padat. Kondisi ini merupakan kondisi dalam keadaan gelas. Jadi gelas

adalah bentuk cairan supradingin.

Gelas dapat dibuat dengan berbagai cara yaitu :

1. Kempaan : pembuatan alat makan

2. Hembusan : pembentukan botol

3. Roll dan tarik : lembaran sampai serat dengan tebal/ukuran tertentu

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 11

Dalam membuat lembaran, agar sungguh datar maka ditempuh proses flotasi pilkington

yaitu lelehan gelas diapungkan pada timah lebur. Agar lebih kuat, kmaka gelas dilakukan

pengkondisian termal yaitu :

1. Annealing : penghilangan tegangan termal yang ada karena pada pembentukan

dilakukan pendinginan cepat. Tegangan dihilangkan dengan sedikit memanaskan gelas,

lalu mendinginkannya pelan-pelan.

2. Tempering : memberikan tegangan permukaan kempaan dengan quenching cepat,

setelah annealing yang menghilangkan tegangan tak terkontrol. Agar barang yang diberi

lakuan tempering dapat pecah, tegangan kompresif harus dilalui. Bila hal itu terjadi,

peluruh gelas pecah berkeping-keping seketika. Misalnya pada kaca mobil.

3. Pengaturan kimia. Pelapisan dengan zat kimia untuk memperkuat tegangan gelas.

Lapisan ini sangat tipis sehingga tak mempengaruhi kebeningannya.

4. Defitrifikasi. Bertujuan untuk meningkatkan kekuatan gelas dengan pengontrolan kristal,

ukuran butiran dan derajat kristalisasinya.

9.2.4 Pelapisan/Coating

Pelapisan enamel porselen adalah pelapisan gelas pada bahan basis logam. Lapisan

gelas menempel pada lapisan oksidasi yang terjadi saat pembakaran logam. Koefisien muai

termal enamel porselen agak lebih rendah daripada logam sehingga coating akan kompresif

pada suhu kamar. Enamel porselen merupakan bahan yang keras dan tegar, tahan aus,

bahan kimia dan isolator. Biasanya digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, arsitektur

dan industri. Logam yang dapat dienamel termasuk baja karbon rendah, baja stainles, alloy

aluminium tahan panas, logam mulia (tembaga, emas,perak)

Glazur adalah coating gelas atas bahan basis keramik. Ini untuk menghaluskan

permukaan akibat butiran-butiran polikristal.

Plating nyala akan menghasilkan lapisan oksida, karbida dan nitrida dengan

memasukkan bubuk nyala amat panas. Bahan meleleh dan disemprotkan ke permukaan,

lalu memadat. Lapisan ini berpori tapi amat keras. Penggunaannya terutama untuk

permukaan anti aus.

Deposisi uap merupakan pelapisan permukaan dengan melelehkan bahan dan

membiarkan uapnya membentuk lapisan stabil, rapat mampat.

Proses Produksi Popy Yuliarty, ST. MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 12