Metalurgi Serbuk

Metalurgi serbuk (powder metallurgy) merupakan teknologi pengerjaan logam di mana part atau komponen diproduksi dari serbuk logam. Proses pengerjaannya yakni serbuk logam ditekan menjadi bentuk yang diinginkan (dikenal dengan istilah pressing). Selanjutnya serbuk yang tertekan tersebut dipanaskan supaya saling mengikat dan menjadi rigid (dikenal dengan istilah sintering).

Proses metalurgi serbuk sering disebut sebagai PM. Metalurgi serbuk bisa menghasilkan produk yang hampir tidak berpori yang memiliki sifat hampir setara dengan bahan yang sepenuhnya rapat. Proses difusi selama perlakuan panas merupakan inti pengembangan sifat-sifat ini. Metode metalurgi serbuk sangat cocok untuk logam yang memiliki daktilitas rendah, karena hanya perlu deformasi plastis kecil dari partikel bubuk.

Gambar 1. Produk Metalurgi Serbuk.
(Sumber: M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.)

Tahap-tahap Metalurgi Serbuk

Berikut tahap pada proses metalurgi serbuk:

• Membuat logam serbuk.
• Mencampur logam serbuk.
• Memadatkan logam serbuk.
• Sintering.
• Operasi sekunder.
• Perlakuan panas dan finishing.

Pembuatan Logam Serbuk

Serbuk dapat didefinisikan sebagai benda padat yang terpotong halus. Geometri pada tiap butir serbuk dapat didefinisikan dengan atribut antara lain: ukuran partikel, bentuk partikel, dan luas permukaan. Hampir semua logam dapat dibuat menjadi serbuk. Ada tiga metode untuk membuat logam serbuk. Metode tersebut antara lain: atomisasi, kimia, dan electrolytic. Selain itu, metode mekanis kadang-kadang digunakan untuk mengurangi ukuran serbuk.

Pencampuran Logam Serbuk

Homogenisasi pada serbuk logam harus dilakukan secara menyeluruh supaya sukses dalam pemadatan dan sintering. Istilah blending dan mixing digunakan dalam konteks ini. Blending mengacu pada serbuk dengan komposisi kimia yang sama tetapi memungkinkan ukuran partikel yang berbeda saling berbaur. Ukuran partikel yang berbeda sering dicampur untuk mengurangi porositas. Mixing mengacu pada penggabungan serbuk dari berbagai bahan kimia. Keuntungan teknologi metalurgi serbuk adalah kesempatan untuk mencampur berbagai logam menjadi paduan yang sulit atau tidak mungkin diproduksi dengan cara lain.

Pemadatan Logam Serbuk

Dalam pemadatan, tekanan tinggi diterapkan pada serbuk. Tujuan dari penekanan adalah membentuk serbuk ke dalam bentuk yang diinginkan. Metode pemadatan konvensional yang bisa digunakan adalah pressing, di mana dua punch yang berlawanan menekan serbuk yang berada di dalam cetakan. Benda kerja hasil pressing disebut green compact, kata green berarti belum sepenuhnya diproses.

Sintering

Setelah proses pemadatan, compact green tidak memiliki kekuatan dan kekerasan. Oleh sebab itu diperlukan proses sintering. Sintering adalah proses perlakuan panas yang dilakukan pada compact untuk mengikat partikel logamnya, sehingga meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Sintering biasanya dilakukan pada suhu antara 0,7 sampai 0,9 kali titik cair logam. Istilah solid-state sintering kadang digunakan untuk proses sintering konvensional ini karena logamnya tidak mencair.

Dalam praktik sintering modern, atmosfer pada tungku dikendalikan. Atmosfer pada tungku sintering yang umum digunakan adalah gas inert, nitrogen, amonia, hidrogen, dan gas alam. Atmosfer vakum digunakan untuk logam tertentu, seperti stainless steel dan tungsten. Tujuan dari pengendalian atmosfer antara lain:

• Mencegah oksidasi.
• Menghilangkan oksida yang ada.
• Menyediakan atmosfer karburisasi.
• Membantu menghilangkan pelumas dan bahan pengikat yang digunakan saat proses pemadatan.

Operasi Sekunder

Operasi sekunder metalurgi serbuk meliputi densification, sizing, impregnation, dan infiltration. Operasi sekunder dibutuhkan untuk meningkatkan kepadatan, meningkatkan akurasi, atau menyelesaikan bentuk tambahan pada benda kerja hasil sintering. Porositas adalah karakteristik unik dan melekat pada teknologi metalurgi serbuk. Produk khusus dapat dibuat dengan mengisi ruang pori yang tersedia menggunakan minyak, polimer, atau logam yang memiliki suhu cair yang lebih rendah daripada logam serbuk dasar. Impregnation adalah istilah yang digunakan ketika minyak atau cairan lain diserap ke dalam pori-pori pada benda kerja hasil sintering. Infiltration adalah proses di mana pori-pori benda kerja diisi dengan logam cair.

Perlakuan Panas dan Finishing

Produk metalurgi serbuk dapat diproses dengan perlakuan panas dan proses finishing seperti pengecatan atau pelapisan. Proses pelapisan diterapkan dengan tujuan penampilan dan ketahanan terhadap korosi. Pelapisan bisa memakai tembaga, nikel, chromium, zinc, dan cadmium.

Kelebihan Metalurgi Serbuk

Kelebihan metalurgi serbuk antara lain:

• Mampu digunakan untuk membuat komponen berukuran kecil atau sangat kecil.
• Mampu memproduksi komponen jadi (net shape) atau komponen hampir jadi (near net shape) secara massal.
• Mampu mengurangi bahkan menghilangkan proses lanjutan (karena proses metalurgi serbuk langsung menghasilkan komponen jadi atau komponen hampir jadi).
• Tidak banyak membuang material. Sekitar 97% material serbuk dapat dikonversi menjadi produk jadi (sehingga hanya sekitar 3% yang terbuang). Bila dibandingkan dengan proses pengecoran, metalurgi serbuk tidak membutuhkan sprue, runner, dan riser. Pada proses pengecoran; sprue, runner, dan riser merupakan limbah yang nantinya akan dilebur kembali.
• Beberapa jenis logam (seperti tungsten) sulit dikerjakan/dibentuk dengan proses lain, namun mudah dikerjakan/dibentuk dengan proses metalurgi serbuk. Sebagai contoh tungsten filament pada bola lampu pijar yang dibuat dengan metalurgi serbuk.
• Beberapa logam paduan dan cermet tidak dapat diproduksi dengan metode lain, namun dapat diproduksi dengan metalurgi serbuk.
• Dimensi produk hasil metalurgi serbuk lebih akurat dibanding produk hasil pengecoran (pada metalurgi serbuk penyimpangannya lebih kecil).
• Metode produksi metalurgi serbuk dapat dilakukan secara otomatis.

Kekurangan Metalurgi Serbuk

Kekurangan metalurgi serbuk antara lain:

• Peralatan metalurgi serbuk mahal.
• Serbuk logam mahal.
• Penyimpanan dan pengangkutan logam berwujud serbuk lebih sulit.
• Memerlukan kelonggaran antara komponen (benda kerja) dengan cetakan. Kelonggaran dimaksudkan supaya benda kerja dapat dikeluarkan dari cetakan.
• Variasi berat jenis material pada sebuah komponen dapat menimbulkan masalah, khususnya pada komponen dengan geometri yang kompleks.

Aplikasi Metalurgi Serbuk

Metalurgi serbuk dapat digunakan untuk membuat komponen antara lain: pahat sisip, roda gigi, sprocket, fastener, bearing, dan komponen-komponen mesin lainnya.

Referensi

M. P. Groover, 2010, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, edisi 4.

W. D. Callister dan D. G. Rethwisch, 2010, Materials Science and Engineering: an Introduction, edisi 8.