Pelajaran 9.4MembentukBab 9 · Serbuk dan keramik

Spark plasma sintering (SPS)

Arus berdenyut memanaskan die grafit berisi serbuk terpres dalam hitungan menit

Spark plasma sintering (SPS) menekan serbuk dalam die grafit sementara arus listrik berdenyut yang sangat besar mengalir melaluinya. Die memanaskan dirinya sendiri, sehingga serbuk menjadi padatan rapat dalam hitungan menit, bukan jam. Laboratorium memakainya untuk membuat material baru, seperti keramik sangat keras, yang sulit dipadatkan oleh tungku biasa.

Foto: Raihan.Rumman, CC BY-SA 3.0, melalui Wikimedia Commons

Spark plasma sintering · kolom press, loop arus, pemadatanKolom press digambar terbelah dua; panel di kanan menunjukkan apa yang terjadi di dalam die dan apa yang keluar. Angka berlingkar sesuai dengan langkah.

Cara kerjanya

Isi die. Serbuk dituang ke die grafit (tabung tebal) di antara dua punch grafit. Die biasanya dilapisi foil grafit agar part mudah lepas.
Muat dan vakumkan. Tumpukan die masuk di antara ram berpendingin air pada sebuah press di dalam ruang. Udara dipompa keluar (vakum) atau diganti argon, sehingga grafit panas dan serbuk tidak terbakar.
Tekan dan alirkan arus. Ram menekan pada biasanya 30–100 MPa sementara catu daya mengirim arus searah berdenyut, ribuan ampere pada beberapa volt, melalui grafit. Die memanas dari dalam oleh resistansi listrik, seperti kawat pemanggang roti, pada 100 °C per menit atau lebih. Meskipun namanya demikian, biasanya tidak ada percikan atau plasma.
Tahan sebentar. Setelah biasanya 5–10 menit pada suhu puncak (sering 1.000–2.000 °C, tergantung material), partikel saling terikat dan pori terperas keluar. Ram bergerak turun saat serbuk menyusut, yang menunjukkan kapan serbuk sudah padat.
Dinginkan dan keluarkan. Dengan daya dimatikan, ram berpendingin air menarik panas keluar dengan cepat. Cakram padat didorong keluar dari die, dan kulit grafitnya digerinda sebelum dipotong atau di-finishing.

Fakta kunci

Material: Keramik (alumina, silikon karbida, borida), logam keras, tungsten dan logam bertitik leleh tinggi lainnya, termoelektrik, komposit, serbuk yang sangat halus
Komponen khas: Cakram dan blok sederhana: target sputtering, ubin pelindung, blank perkakas potong, sampel penelitian
Ukuran komponen: Kebanyakan cakram 10–50 mm di laboratorium; mesin industri membuat part selebar hingga beberapa ratus milimeter
Presisi: Kasar setelah sinter: diameter ditentukan oleh die, ketebalan kurang tepat; toleransi akhir berasal dari penggerindaan
Hasil permukaan: Kulit grafit abu-abu, digerinda atau dipoles setelahnya
Ukuran batch yang cocok: Satu buah hingga batch kecil: penelitian, prototipe, dan part khusus
Biaya perkakas dan mesin: Die grafit adalah barang habis pakai berharga kira-kira puluhan hingga ratusan dolar; mesin berkisar dari beberapa ratus ribu dolar (laboratorium) hingga jutaan (industri)
Kecepatan: Biasanya 10–30 menit per proses plus pendinginan, satu part atau tumpukan kecil pada satu waktu

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Sangat cepat: menit, bukan jam
Menjaga butir (kristal kecil dalam material) tetap sangat halus, yang dapat membuatnya lebih kuat atau bahkan transparan
Memadatkan material yang sulit di-sinter seperti borida dan karbida, sering tanpa aditif
Dapat mengikat lapisan material berbeda dalam satu proses

Batasan

Hanya bentuk sederhana: cakram, blok, silinder pendek
Part kecil dan keluaran rendah per mesin
Perkakas grafit membatasi tekanan hingga sekitar 100 MPa dan dapat menambahkan karbon ke permukaan
Suhu bisa tidak merata pada part besar atau pada serbuk yang tidak menghantarkan listrik

Di mana dipakai

Laboratorium penelitianKeramik, paduan, dan komposit baru; uji coba cepat banyak resep
ElektronikMaterial termoelektrik, target sputtering untuk pelapisan film tipis
Pertahanan dan kedirgantaraanPelindung boron karbida, keramik untuk panas ekstrem
PerkakasBlank perkakas potong dan part logam keras
OptikKeramik transparan seperti jendela spinel, kebanyakan pada skala penelitian

Cara mengenalinya

Cakram datar atau silinder pendek dengan bentuk persis seperti die bulat.
Kulit grafit abu-abu pada part yang belum di-finishing.
Sisi yang digerinda pada hampir setiap part jadi, karena part SPS jarang dipakai apa adanya saat keluar.

Bandingkan dengan

Hot isostatic pressing9.3menekan dengan gas dari segala sisi dan menangani bentuk kompleks, tetapi satu siklus memakan berjam-jam.Metalurgi serbuk9.1menekan dingin, lalu men-sinter di tungku terpisah; jauh lebih murah per part, tetapi kurang padat.Sintering gelombang mikro9.5juga memanaskan dari dalam demi kecepatan, tetapi dengan gelombang mikro sebagai ganti arus, dan tanpa tekanan.

Tonton

Prof. Neha Gupta · Prinsipnya: arus berdenyut melalui die grafit di bawah tekanan

Haoyuevac · Proses laboratorium sungguhan, dengan die yang berpijar saat memanas

ThermalTechnology1 · Sistem industri: ruang, kolom press, dan kontrol

Taylor Sparks · Untuk apa SPS dipakai di industri, dan batasannya

Lihat foto asli

Wikipedia: Spark plasma sintering — nama lain (FAST, PECS), laju pemanasan, dan material; sebagian besar teks
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

SPS memanaskan die dan serbuk secara langsung dengan arus berdenyut besar sambil menekan.
Menit, bukan jam, menjaga butir tetap halus dan membuat material keras menjadi padat.
Ini proses laboratorium dan khusus untuk cakram dan blok sederhana, bukan produksi massal.