Makalah Material Teknik Metal Alloys

MAKALAH MATERIAL TEKNIK TENTANG METAL ALLOYS ATAU LOGAM PADUAN

Diajukan sebagai tugas mata kuliah material teknik

Disusun Oleh: Dimas Widyawanto 0516101019

PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS WIDYATAMA BANDUNG 2017

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Dalam kehidupan sehari-hari, tentu kita sering melihat logam disekitar kita. Pada umumnya, logam memiliki banyak manfaat, seperti di bidang teknik, industri, pertanian dan kedokteran. Logam adalah elemen kerak bumi (mineral) yang terbentuk secara alami. Jumlah logam diperkirakan 4% dari kerak bumi. Logam dalam bidang keteknisian adalah besi. Biasanya dipakai untuk konstruksi bangunan-bangunan, pipa-pipa, alat-alat pabrik dan sebagainya. Contoh dari logam yang sudah memiliki sifat-sifat penggunaan teknis tertentu dan dapat diperoleh dalam jumlah yang cukup banyak adalah besi, tembaga, seng, timah, timbel nikel, aluminium, dan magnesium. Logam mempunyai beberapa karakteristik, yaitu, dapat ditempa dan diubah bentuk, merupakan penghantar panas dan listrik, keras (tahan terhadap goresan, potongan atau keausan), kenyal (tahan patah bila dibentang), kuat (tahan terhadap benturan, pukulan martil), dan liat (dapat ditarik), serta mempunyai titik lebur tinggi. Logam juga merupakan bahan yang dapat ditempa, mengkilat, magnetis, dan dapat dicampur secara homogen dalam berbagai kadar. B. Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui tentang metal alloys atau logam paduan 2. Mengetahui contoh-contoh logam paduan 3. D

BAB II DASAR TEORI METAL ALLOYS Logam paduan (bahasa Inggris: alloy) atau lakur adalah kombinasi dalam larutan senyawa, dua atau lebih , dan paling salah satunya adalah logam, yang hasilnya memiliki sifat metalik. Logam paduan dengan dua komponen disebut paduan biner (alloy binary), 3 komponen disebut paduan ternary, 4 komponen disebut paduan quaternari. Hasilnya adalah zat metalik dengan sifat berbeda dari komponennya. Logam paduan biasanya didesain untuk memiliki sifat yang lebih menguntungkan dibanding dengan komponennya. Misalnya, baja lebih kuat dari besi, salah satu elemen utamanya kuningan lebih tahan lama dari tembaga, tetapi lebih menarik dari seng. Logam paduan contohnya: 

Amalgam



Kuningan



Perunggu



Duralumin



Electrum



Intermetalik



Mu-metal



Pewter



Solder



Spiegeleisen



Baja tahan karat



Baja

Logam dibagi menjadi dua yaitu logam murni yang hanya terdiri dari satu jenis atom, seperti besi (Fe) murni, tembaga (Cu) murni dan logam paduan (metal alloy) yang terdiri dari dua atau lebih jenis atom yang merupakan campuran dari dua macam logam atau lebih yang dicampur satu sama lain dalam keadaan cair. Logam murni yaitu logam yang memiliki kadar kemurnian 99,9%, titik lebur tinggi, merupakan penghantar listrik yang baik, dan memiliki daya tahan terhadap karat. Logam murni kebanyakan tidak digunakan begitu saja tanpa dipadukan dengan logam lainnya, karena biasanya sifat-sifatnya belum memenuhi syarat yang diinginkan. Kecuali logam non ferro murni, platina, emas dan perak tidak dipadukan karena sudah memiliki sifat yang baik, misalnya ketahanan kimia dan daya hantar listrik yang baik serta cukup kuat, sehingga dapat digunakan dalam keadaan murni. Tetapi karena harganya mahal, ketiga jenis logam ini hanya digunakan untuk keperluan khusus. Misalnya dalam teknik proses, laboratorium, dan keperluan tertentu seperti perhiasan dan sejenisnya. Contoh-contoh logam murni adalah emas, timah, seng, dan aluminum. Biasanya kaleng menggunakan aluminium murni, sementara kabel listrik menggunakan tembaga murni. Logam paduan (metal alloy) sering digunakan sebagai pengganti logam murni karena pada logam paduan memiliki sifat yang dapat memberikan keuntungan dan kemudahan sebagai material pabrikasi seperti kekerasan pada logam paduan dapat

ditingkatkan dari kekerasan logam asalnya, kekuatan tarik dapat diperbesar, daya pemuaian dapat dikurangi, titik lebur dapat diturunkan atau dinaikkan dibanding logam-logam asalnya. Sifat-sifat tersebut itulah yang tidak dimiliki logam murni sehingga logam murni dapat ditambahkan unsur logam lainnya untuk mendapatkan kelebihan-kelebihan dari sifat-sifat tersebut. Berikut beberapa contoh logam paduan, beserta karakteristik dan penggunaannya,

1. Baja (steel) Baja adalah logam paduan antara besi (Fe) dan karbon (C), dimana besi sebagai unsur dasar dan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja kurang dari 1,4% berat sesuai grade-nya. Dalam proses pembuatan baja akan terdapat unsur-unsur lain selain karbon yang akan tertinggal dalam baja seperti mangan (Mn), silikon (Si), Kromium (Cr), vanadium (V), dan unsur lainnya. Dalam hal aplikasi, baja sering digunakan sebagai bahan baku untuk alat-alat perkakas, alat-alat pertanian, komponen-komponen otomotif, kebutuhan rumah tangga, dan lain-lain. 2. Tembaga dan Paduannya Tembaga (copper) adalah suatu logam berwarna kemerahan, mempunyai temperatur didih (boiling point) 2600° C dengan berat jenis 8,96 gr/cm3 (sedikit lebih tinggi dari baja (ferro) berat jenis 7,87 gr/cm3). Bersifat lunak, dapat dibengkokkan (bending) dan dapat dirol (rolling, canai). Beberapa contoh logam paduan tembaga yaitu Kuningan (Brass) yang merupakan paduan tembaga dengan unsur utama seng (Zn) lalu Perunggu (bronze), merupakan paduan tembaga dengan unsur utama timah putih, sedangkan (Sn) sebagai unsure paduan.

3. Aluminium dan Paduannya Logam aluminium mempunyai beberapa sifat yang penting sehingga dipilih dalam kelompok logam konstruksi, antara lain adalah sifat ringan, tahan korosi, penghantar listrik dan panas yang baik. Sifat tahan korosi pada aluminium diperoleh karena terbentuknya lapisan oksida aluminium pada permukaan aluminium, dimana lapisan oksida ini melekat pada permukaan dengan kuat dan rapat serta sangat stabil (tidak bereaksi dengan kondisi lingkungannya misalnya asam/basa) sehingga melindungi bagian dalam. Tetapi, oksida aluminium (A12 O3) ini. juga disamping menyebabkan tahan korosi menyebabkan logam aluminium menjadi sukar dilas (welding) dan disolder. Beberapa jenis logam aluminium dan paduannya yang penting, antara lain Duralumin (logam dural) paduan Al dengan 4% Cu ditambah sedikit Si, Fe dan magnesium (Mg). Aluminium-manganese alloy, ditambahkan elemen Mn 1,2% dan Aluminiumsilikon alloy, mengandung elemen Si 12,5%. 4. Logam Nikel dan Paduannya Logam nikel adalah suatu logam yang berwarna putih perak, mempunyai titik leleh 1455°C dan titik lebur (boiling point) 2730°C, termasuk memiliki nilai ekonomis yang mahal kira-kira 3 kali lipat nilai ekonomis (harga) logam tembaga. Memiliki sifat fisis-mekanis yang sangat baik, yaitu tahan korosi, tahan oksidasi, tahan pada temperatur tinggi, dapat membentuk larutan padat yang ulet, kuat dan tahan korosi dengan banyak logam-logam lainnya. Contoh paduan nikel yang banyak dipakai, yaitu Monel, adalah paduan nickel (Ni = 67%) dengan logam tembaga (Cu = 28%) dan element logam lain Ferro, Mn, dan Si. Paduan Nickel-Chrow-Ferro (Nichrom) dan Paduan Hastelloy, adalah paduan nikel dengan berbagai logam lain, seperti Ni-Cr-Mo-Fe. PROSES-PROSES PEMBUATAN LOGAM

Pada dasarnya proses pembuatan logam besi alloy dan logam non-besi alloy sama dengan proses pembuatan logam pada umumnya. Berikut adalah proses-proses pembuatannya:

Gambar 2.1 metal fabrication techniques Forming operation: adalah dimana bentuk potongan logam dirubah dengan proses defomasi plastis. Jika proses deformasi plastis dilakukan diatas temperatur reskristalisasi makaproses disebut pengerjaan panas (hot working), sedangkan jika dilakukan dibawahtemperatur reskristalisasi disebut pengerjaan dingin (cold working). pengerjaan panas: 

dimungkinkan untuk terjadinya deformasi yang lebih besar



energi untuk melakukan deformasi lebih kecil dari cold working



permukaan logam mengalami oksidasi

pengerjaan dingin: 

kualitas permukaan logam yang lebih baik



kontrol dimensi lebih mudah

Proses forging, rolling, exrusion dan drawing bisa dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 proses perubahan bentuk. Forging: Dilakukan dengan cara memukul potongan logam. Gaya diberikan pada cetak yang membentuk produk logam. Contoh produk forging adalah pada roda kereta api, kunci kunci, crank shift mobil dll. Forging sebagai salah satu bagian dari proses metal forming dibagi dalam tiga kategori berdasarkan temperatur pengerjaannya yaitu proses cold, warm dan hot forging dimana parameter dasarnya adalah temperatur rekristalisasi.

Gambar 2.4 Klasifikasi Cold, Warm dan hot working Keuntungan atau efek yang ditimbulkan oleh pengerjaan dingin (cold working) adalah adanya penurunan tingkat keuletan, namuan diiringi dengan naiknya kekuatan dan kekerasan pada sifat materialnya. Hal ini disebabkan karena adanya efek strain hardening. Disamping itu juga terjadi perubahan

struktur mikro, dimana butir-butirnya akan memanjang dan merapat searah dengan arah deformasi yang dominan serta memiliki tingkat ketelitian yang lebih baik. Namun proses pengerjaan dingin memerlukan energi pembentukan yang lebih besar untuk proses deformasinya. Sementara itu, proses pengerjaan panas (temperatur kerja diatas temperatur rekristalisasi) juga memiliki keuntungan salah satunya adalah energi pembentukannya relatif lebih kecil bila dibandingkan dengan proses pengerjaan dingin pada material yang sama. Hal ini di sebabkan karena terjadinya penurunan tegangan alir, sehingga tegangan tool dan beban tempa berkurang. Selain itu dengan adanya panas tingkat keuletan material akan lebih terjaga. Kelemahan proses ini diantaranya adalah biaya produksi tinggi, ketelitian (accuracy) dan kondisi permukaan kurang baik serta umur tool relatif pendek. Pada proses tempa warm forming dimana temperatur pengerjaan di atas suhu ruangan dan di bawah temperatur rekristalisasi (di atas 0,3 x temperatur 10 rekristalisasi hingga di bawah suhu rekristalisasi material), memiliki keunggulan adalah beban tempa yang rendah , keuletan dan ketangguhan (toughness) lebih besar dibanding proses dingin, ketelitian (accuracy) meningkat dibandingkan tempa panas. Sedangkan kelemahannya adalah memerlukan determinasi temperatur tempa yang optimum serta pemilihan pelumas yang sulit. Rolling: Proses dilakukan degan melewatkan logam pada 2 buah logam yang akan mengkompresi logam sehngga tebalnya berkurang. Produk yang di hasilkan bisa berupa bulat, tiang 1 dan rel kereta api, plat dll. Rolling dibagi menjadi 2 macam yaitu, hot rolling dan cold rolling. Hot rolling adalah operasi pencanaian yang dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi daripada temperatur rekristalisasi. Pada proses hot rolling, deformasi tidak menyebabkan

terjadinya penguatan logam. Tegangan alir bahan akan semakin kecil dengan semakin tingginya temperatur operasi. Energy deformasi yang dibutuhkan menjadi lebih kecil daripada temperatur yang lebih tinggi. Dengan demikian, deformasi dapat dilakukan pada benda yang berukuran relatif besar. Sedangkan cold rolling adalah operasi pencanaian yang dilakukan pada temperatur kamar atau di bawah temperatur rekristalisasi. Cold rolling umumnya dilakukan setelah proses rollliing panas. Rolling diingin menyebabkan terjadinya mekanisme penguatan pada benda kerja yang di ikuti dengan turunnya keuletan. Benda kerja menjadi lebih kuat, lebih keras dan lebih rapuh. Pada proses pencanaian dingin, tegangan alir benda kerja menjadi semkain meningkat. Sebagian besar dari produk hasil canai dingin melibatkan proses lanjutan yaitu proses perlakuan panas agar dapat diaplikasikan sesuai ke spesifikasinya. Proses perlakuan panas yang diterapkan pada produk hasil canai dingin adalah proses anil. Proses dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan sifat-sifat produk yang lebih sesuai dengan aplikasinya. Extrusion: Batangan logam didorong melalui cetakan dan produk akan berbentuk sesuai yang dikehandaiki dan penampang yang lebih kecil. Produk extrusion adalah batangan logam/ kawat, tube, dll. Drawing: Dilakukan dengan cara menarik potongan logam pada sisi keluar cetakan. Batangan logam, kawat, tube adalah produk produk yang bisa di hasilkan dengan drawing.

Casting: Pengocoran (Casting) adalah suatu proses penuangan materi cair seperti logam atau plastik yang dimasukkan ke dalam cetakan, kemudian membeku

di

dalam

cetakan

dibiarkan

tersebut, dan kemudian dikeluarkan atau di

pecah-pecah untuk dijadikan komponen mesin. Pengecoran digunakan untuk membuat bagian mesin dengan bentuk yang kompleks. Pengecoran digunakan untuk membentuk logam dalam kondisi panas sesuai dengan bentuk cetakan yang telah dibuat. Pengecoran dapat berup material logam cair atau plastik yang bisa meleleh (termoplastik), juga material yang terlarut air misalnya beton atau gips, dan materi lain yang dapat menjadi cair atau pasta ketika dalam kondisi basah seperti tanah liat, dan lain-lain yang jika dalam kondisi kering akan berubah menjadi keras dalam cetakan, dan terbakar dalam perapian. Proses pengecoran dibagi menjadi dua: expandable (dapat diperluas) dan non expandable (tidak dapat diperluas) mold casting.

Gambar 2.5 Logam cair sedang dituangkan ke dalam cetakan

Gambar

2.6 Pengecoran

Proses Pengecoran logam biasanya

diawali

dengan

pembuatan

cetakan dengan

bahan pasir. Cetakan pasir bisa dibuat secara manual maupun dengan mesin. Pembuatan cetakan secara manual dilakukan bila jumlah komponen yang akan dibuat jumlahnya terbatas, dan banyak variasinya. Pembuatan cetakan tangan dengan dimensi yang besar dapat menggunakan campuran adalah proses pabrikasi di mana logam cair dituang. Casting dilakukan jika: 1. Bentuk akhir besar atau complicated 2. Kualitas dan kekuata bukan merupakan pertimbangan utama. Casting dibagi menjadi 3 macam menurut jenis cetakan nya yaitu: 1.

Die Casting Die casting adalah proses pencetakan yang menggunakan berulang-ulang. Logam coran biasanya dipakai yang mempunyai tiik leleh rendah seperti: seng, almunium, dan magnesium. Pada die casting, logam didorong masuk cetak pada tekanan tertentu dan kecepatan tinggi dan kemudian logam membeku dengan menjaga tekanan. Cetakannya biasanya dari baja

Gambar 2.7 die casting.

2.

Sand Casting Sand casting atau cetakan pasir adalah metoda yang paling umum. Pasir digunakan sebagai bahan cetakan, potongan cetakan pasir di buat dengan memadatkan pasir ke pola yang berbentuk dimensi yang diinginkan. Proses pencetakan dilakukan dengan mengalirkan logam cair kedalam cetakan. Contoh produk: silinder blok mobil, fire hydrant, fitting pipa yang besar-besar.

Gambar 2.8 Sand Casting 3.

Invesment Casting Invesment casting adalah Pola untuk membuat cetakan biasanya dipakai lilin atau palstik. Disekililing poladituang lumpur cair biasanya dari bahan gips. Setelah mengeras cetakandipanaskan sehingga lilin didalamnya menguap. Cetakan siap digunakan. Teknik ini biasanya digunakan untuk cetakan dengan dengan kualitas tinggi. Dan produk akhir yang tinggi. Contohnya: perhiasan, gigi palsu dll.

Gambar 2.9 Investment Casting

Adapun proses pembuatan logam paduan non-ferrous yaitu sebagai berikut: Pembuatan Aluminium (Al) Bijih bauksit merupakan salah satu sumber pembentukan aluminium yang cukup ekonomis, yang bila di Indonesia, banyak terdapat di daerah Bintan dan Kalimantan. Untuk menambang bauksit, dilakukan dengan penambangan terbuka, setelah bauksit di haluskan, kemudian di cuci dan dilakukan pengeringan, baru kemudian bauksit mengalami pemurnian menjadi oksida aluminium atau alumina. Untuk memperoleh aluminium murni, biasanya digunakan Proses Bayern (Karl Josef Bayer), yaitu: bauksit halus dan kering, dimasukkan ke dalam pencampur (mixer), diolah dengan NaOH yang bila bereaksi dengan bauksitdibawah pengaruh tekanan dan suhu diatas titik didih nya, akan menghasilkanAluminat Natrium yang dapat larut. Biasanya setelah proses selesai, tekanan di dalam dapur dikurangi dan ampas yang terdiri dari oksida besi tak larut, silikon, titanium dan kotoran-kotoran lain nya, ditekan melalui saringan dan dikumpulkan agak disamping. Kemudian, cairan yang mengandung alumina dalam bentuk aluminat natrium, dipompakan ke luar dan dimasukkan kedalam sebuah tangki pengendapan. Didalam tangki tersebut, diberi tambahan kristal hidroksida aluminium yang halus, yang kemudian berubah menjadi inti kristalisasi, sementara itu kristal hidroksida aluminium akan terpisah dari larutan, kemudian dilakukan penyaringan dan dipanaskan sampai suhu nya mencapai 980 C. Proses Bayern Melalui proses elektrolisa, alumina akan berubah menjadi oksigen dan logam aluminium. Jalan nya proses elektrolisa adalah: alumina murni dilarutkan pada cairan criolit (natrium aluminium fluorida) di dalam dapur elektrolit yang besar atau disebut sel reduksi. Arus listrik kemudian dialirkan pada campuran melalui elektroda karbon, logam aluminium di endapkan pada katoda karbon yang berada di dasar sel. Panas akibat aliran listrik digunakan untuk memanaskan isi sel, sehingga akan selalu cair, dengan demikian alumina dapat ditambahkan secara terus menerus (disebut: proses kontinu). Pada saat-saat tertentu, aluminium cair di keluarkan dari sel

dan dipindah kan ke dalam dapur penampung untuk kemudian di murnikan atau bisa juga digunakan untuk keperluan paduan, setelah itu baru di tuangkan ke dalam cetakan ingot, untuk kemudian diolah lebih lanjut. Biasanya, untuk menghasilkan 1 kg aluminium, dibutuhkan 2 kg alumina, sedangkan untuk mendapat kan 2 kg alumina, diperlukan 4 kg bauksit, 0,6 kg karbon, criolit dan bahan-bahan lain nya serta sekitar 8 kWh energi listrik (berlaku secara linier). Pembuatan Magnesium (Mg) Air laut yang biasanya mengandung 1300 ppm magnesium, direaksikan dengan kapur (kulit kerang yang dibakar pada suhu 1320 0C). Hasil reaksi kimia antara kapur dengan air laut, akan menghasilkan endapan Mg(OH)2 .Endapan kental yang mengandung sekitar 12 % Mg(OH)2 ini kemudian di saring, sehingga akan bertambah

pekat,

baru

kemudian

di

reaksikan

dengan CHCl

dan

menghasilkan MgCl2. Setelah melalui tahapan filtrasi dan pengeringan, konsentrasi MgCl2 akan meningkat menjadi sekitar 68 %, yang berbentuk butiran-butiran kemudian dipindahkan ke dalam sel elektrolisa yang berukuran 100 m3 Dan beroperasi pada suhu sekitar 700 0C. Elektroda grafit akan berfungsi sebagai anoda dan pot nya sendiri berfungsi sebagai katoda. Akibat di aplikasikan nya arus listrik sebesar 60.000 Amp, maka MgCl2 akan terurai, dan logam magnesium terapung diatas larutan. Setiap pot akan dapat menghasilkan sekitar 550 kg logam Mg dalam satu hari yang kemudian dituang kedalam cetakan ingot, dimana setiap ingot mempunyai berat 8 kg. Hasil sampingan dari proses ini adalah: gas klorida yang kemudian dapat digunakan untuk mengubah Mg(OH)2 menjadi MgCl2. Adapun contoh proses pembuatan logam paduan ferrous yaitu sebagai berikut:

Pembuatan Tembaga Chalcopiri”t adalah antara Cu2S dan CuFeS2

bijih

tembaga,

merupakan

campuran

yang di peroleh dari hasil tambang di bawah permukaan

tanah. Gambar berikut adalah proses mebuat nya: Alur proses yang ditunjukkan pada gambar diatas adalah dimulai dari bijih chalcopirit, digiling dan dicampur dengan batu kapur serta bahan fluks silika. Setelah tepung

bijih

dipekatkan,

lalu

dipanggang,

sehingga

terbentuk

campuran FeS, FeO, SiO2, dan CuS. Campuran inilah yang disebut: “Kalsin”. Kalsin kemudian di lebur dengan batu kapur sebagai fluks nya di dalam Dapur Reverberatory, tujuan nya untuk melarutkan besi (Fe) di dalam terak, sisanya adalah Tembaga-Besi yang disebut “matte” di tuangkan kedalam konverter. Dengan menghembuskan udara kedalam konverter untuk selama 4 s/d 5 jam, maka kotoran-kotoran teroksida dan besi akan membetuk terak yang pada saat-saat tertentu, dikeluarkan dari konverter. Karena panas oksidasi cukup tinggi, maka muatan akan tetap cair yang akhir nya dapat merubah sulfida-tembaga menjadi oksida-tembaga atau yang dikenal dengan nama: sulfat. Bila kemudian aliran udara dihentikan, maka oksida kupro akan bereaksi dengan sulfida kupro yang akan membentuk tembaga blisterdan dioksida belerang. Tembaga blister dengan tingkat kemurnian antara 98 % s/d 99 % ini kemudian dicor menjadi slab untuk kemudian di olah secara elektolitik menjadi tembaga murni.