MAKALAH
METALURGI
MATA KULIAH : KIMIA ANORGANIK II
oleh
DWI NURFITRI
4111131005
ELBI DIANA
4111131007
JULIA MARDHIYA
4111131008
JULIA ZETRIYAVONA
4111131009
JUSMA SARI HARAHAP
4111131010
FAKULTAS MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN MEDAN 2013
KATA PENGANTAR
Bismillaahirrahmaanirrahiim Assalaamu’alaikum Assalaamu’alaikum warahmatullaahi wabarakaatuh wabarakaatuh
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan da n hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan m enyelesaikan makalah dengan judul “METALURGI ” ini dapat diselesaikan. Sholawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW. Penulisan makalah ini dimaksudkan untuk memenuhi tugas Mata kuliah Kimia Anorganik II. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada berbagai pihak yang telah ikut membantu dalam penyelesaian penyelesaia n makalah ini, terutama te rutama dosen pembimbing kami. Semoga Semoga Allah SWT membalasnya dengan yang lebih baik. Penulis menyadari bahwa penulisan makalah ini masih jauh dari sempurna, mengingat keterbatasan kemampuan, pengalaman serta referensi yang penulis miliki. Oleh karena itu, kami harapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun sehingga dapat menyempurnakan makalah ini. Wassalamu’alaikum Wassalamu’alaikum warahmatullaahi wabarakaatuh
Medan, 26 Februari 2013
Penulis
i
KATA PENGANTAR
Bismillaahirrahmaanirrahiim Assalaamu’alaikum Assalaamu’alaikum warahmatullaahi wabarakaatuh wabarakaatuh
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan da n hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan m enyelesaikan makalah dengan judul “METALURGI ” ini dapat diselesaikan. Sholawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW. Penulisan makalah ini dimaksudkan untuk memenuhi tugas Mata kuliah Kimia Anorganik II. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada berbagai pihak yang telah ikut membantu dalam penyelesaian penyelesaia n makalah ini, terutama te rutama dosen pembimbing kami. Semoga Semoga Allah SWT membalasnya dengan yang lebih baik. Penulis menyadari bahwa penulisan makalah ini masih jauh dari sempurna, mengingat keterbatasan kemampuan, pengalaman serta referensi yang penulis miliki. Oleh karena itu, kami harapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun sehingga dapat menyempurnakan makalah ini. Wassalamu’alaikum Wassalamu’alaikum warahmatullaahi wabarakaatuh
Medan, 26 Februari 2013
Penulis
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ................................................ ...................................................................... .................................. ............ i DAFTAR ISI ............................................. ................................................................... ............................................ .............................. ........ ii DAFTAR GAMBAR ....................................... ............................................................. ............................................ ........................ iii PENDAHULUAN ........................................... ................................................................. ............................................ ........................ 1 TINJAUAN TEORITIS ......................................................... ............................................................................... ........................ 2 1. Hirarki Metalurgi ........................................................ .............................................................................. ........................ 2 2. Klasifikasi Material ........................ .............................................. ............................................ .............................. ........ 4 3. Preparasi Logam ......................................................... ............................................................................... ........................ 11 4. Aloi ............................................ .................................................................. ............................................ .................................. ............ 16 DISKUSI ........................................... .................................................................. ............................................. ..................................... ............... 26 KESIMPULAN ............................................ ................................................................... ............................................. .......................... .... 27 DAFTAR PUSTAKA .......................................... ................................................................ ......................................... ................... 28
ii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Logam ........................................................................................ 4 Gambar 2. Siklus Material ........................................................................... 5 Gambar 3. Klasifikasi Logam ...................................................................... 6 Gambar 4. Polimer Plastik ............................................................................ 8 Gambar 5. Keramik ....................................................................................... 9 Gambar 6. Preparasi Alumunium ................................................................. 14 Gambar 7. Tabel Periodik ............................................................................. 16 Gambar 8. Peta Mineral Logam Indonesia ................................................... 17 Gambar 9. Berbagai Jenis Mineral ................................................................ 18 Gambar 10. Contoh Aplikasi Baja Karbon ................................................... 19 Gambar 11. Contoh Aplikasi Besi Tuang ..................................................... 19 Gambar 12. Contoh Aplikasi Alumunium dan Paduannya ........................... 20 Gambar 13. Contoh Aplikasi Tembaga dan Paduannya ............................... 21 Gambar 14. Contoh Aplikasi Nikel dan Paduannya ..................................... 22 Gambar 15. Shape Memory Alloy ................................................................ 24
iii
PENDAHULUAN Pada makalah ini akan dibahas mengenai pengolahan logam yang merupakan bagian yang tidak kalah penting mangingat manfaat logam yang sangat luas menyentuh semua aspek kehidupan. Oleh karena itu, perlu dipahami bahwa sifatsifat logamdan kaitannya dengan sumber-sumbernya di alam. Logam umumnya dibayangkan sebagai bahan yang “keras”, mempunyai densitas dan titik leleh tinggi, dapat ditempa, dan merupakan konduktor panas yang baik. Ada beberapa perkecualian sifat yang mencolok misalnya, densitas litium hanya 0,543 g cm -3 sedangkan platina 21,45 g cm -3. Raksa (merkurium) berwujud cair pada temperatur kamar, tetapi osmium meleleh pada suhu 3035 0C. Demikian juga natrium dan kalium yang cukup lunak jika dipotong dengan pisau. Bentuk kelimpahan logam yang terdapat di alam (kerak bumi) sangat bergantung pada reaktivitas logam yang bersangkutan, kelarutan garamnya, dan kemudahan garamnya bereaksi dengan air dan terhadap proses oksidasi. Logam yang tidak reaktif seperti perak, emas, dan platina, biasanya terdapat di alam sebagai unsurnya, sedangkan logam-logam yang agak reaktif biasanya terdapat sebagi sulfida, misalnya CuS, PbS, dan ZnS. Logam yang digunakan saat ini merupakan hasil dari suatu proses yang panjang. Berbagai proses dilakukan untuk memisahkan logam yang diinginkan dari unsur-unsur pengotornya. Rangkaian yang digunakan dalam menghasilkan suatu bahan atau material disebut Siklus Material. Siklus Material ini menggambarkan perjalanan secara singkat bagaimana bahan atau material diperoleh, diolah menjadi suatu komponen, dipakai dan apabila telah rusak dibuang atau didaur ulang
1
TINJAUAN PUSTAKA
1. Hirarki Metalurgi (Sejarah)
Sejarah
ilmu
metalurgi
diawali
dengan
teknologi
pengolahan
hasil
pertambangan. Logam yang paling dini digunakan oleh manusia tampaknya adalah emas, yang bisa ditemukan secara bebas. Sejumlah kecil emas telah ditemukan telah digunakan di gua-gua di Spanyol pada masa paloitikum, sekitar 40.000 Perak, tembaga, timah dan besi meteor juga dapat ditemukan bebas, dan memungkinkan pengerjaan logam dalam jumlah terbatas. Senjata Mesir yang dibuat dari besi meteor pada sekitar 3000 SM sangat dihargai sebagai "belati dari langit". Dengan pengetahuan untuk mendapatkan tembaga dan timah dengan memanaskan bebatuan, serta mengkombinasikan tembaga dan timah untuk mendapatkan logam paduan yang dinamakan sebagai perunggu, teknologi metalurgi dimulai sekitar tahun 3500 SM pada masa Zaman Perunggu. Ekstraksi besi dari bijihnya ke dalam logam yang dapat diolah jauh lebih sulit. Proses ini tampaknya telah diciptakan oleh orang-orang Hittit pada sekitar 1200 SM, pada awal Zaman Besi. Rahasia ekstraksi dan pengolahan besi adalah faktor kunci dalam keberhasilan orang-orang Filistin. Perkembangan historis metalurgi besi dapat ditemukan dalam berbagai budaya dan peradaban lampau. Ini mencakup kerajaan dan imperium kuno dan abad pertengahan di Timur Tengah dan Timur Dekat, Mesir kuno, dan Anatolia (Turki sekarang), Kartago, Yunani, Romawi kuno, Eropa abad pertengahan, Cina kuno dan pertengahan, India kuno dan pertengahan, Jepang kuno dan pertengahan, dan sebagainya. Banyak penerapan, praktek dan perkakas metalurgi mungkin sudah digunakan di Cina kuno sebelum orang-orang Eropa menguasainya (seperti tanur, besi cor, baja, dan lain-lain). Berdasarkan kedekatan antara metalurgi dengan pertambangan inilah maka pada awalnya pendidikan metalurgi lahir dari sekolah-sekolah pertambangan seperti pendidikan metalurgi di Colorado School of Mines.
2
Proses metalurgi di mulai sejak 6000 tahun sebelum masehi, saat ini telah di ketahui 86 logam dan hanya 24 jenis di temukan selama abad 18. Logam awal di temukan adalah Emas (6000 SM ) dan tembaga (4200 SM). Tujuh logam purbakala adalah : Emas (6000 SM), Tembaga (4200 SM), Perak (4000 SM), Timbal (3500 SM), Timah (1750 SM), peleburan Besi (1500 SM) dan Air raksa (750 SM). Kecuali besi dan tembaga (di padu dengan timah ) yang bukan logam kontruksi adalah emas dan perak yang biasanya dipakai sebagai alat makan-minum, perhiasan dan ornamen. Hampir semua logam terkandung di lapisan bumi, manusia pertama kali belajar memproses biji menggunakan sulfide atau oksida logam melalui proses reduksi dan oksidasi pada temperature yang bertingkat. Pertama kali di temukan tidak sengaja akibat biji logam jatuh kedalam api unggun. Tembaga di temukan secara natural di tempat siprus, dan di tempa menjadi artefak. Tetapi selalu rapuh hingga akhirnya ditemukan dengan cara meng-anilnnya dalam api unggun. Antara tahun 5000 SM lembaran tembaga dibuat dengan cara di pukul. Artefak tembaga lebur dari tahun 3600 SM di temukan di lembaga sungai Nil. Peleburan dilakukan dari malasit (CuCo 3 dan Cu(OH)2) melalui kalsining dan pengeringan, dan dari biji kuprit (oksida) dengan karbon sebagi zat pereduksi. Timbal di temukan sebagai gelana sulfide timbale seperti metalik. Galena mudah direduksi dalam api. Timbal banyak di pergunakan sebagai kotak dan pipa. Melalui peleburan bijih timah dengan tembaga maka tembaga di produksi lebih kuat dan mudah di cetak (perunggu). Besi natural terdapat dalam meteorites, dengan kandungan nikel 6-8 %. Hematite (oksida) dipergunakan bersama-sama untuk melebur besi, dengan karbin sebagai bahan pereduksi. Peleburan menggunakan biji, arang dan batu kapur seperti sekarang ini pada dapur tinggi. Bijih besi dihasilkan mengandung 3-4 % karbon dan 1-2 % Si, bercampur dengan terak. Mudah di tempa saat panas. Besi sangat baik untuk di tempa, besi kasar (wrough iron ) di panggang dalam udara atau dihembus untuk membuang karbon. Lapisan-lapisan material dimana di tempa dan disatukan menghasilkan pedang dari Damaskus dan Toledo. Senjata dan Besi sebagai peralatan perang seperti halnya alat bertani.
3
2. Klasifikasi Mineral
Menurut Vlack (2004), material di klasifikasikan menjadi berbagai tipe yang memiliki karakteristik yang sama. Salah satu cara pengelompokkan material, berdasarkam ikatan atom dan struktur, menghasilkan kelompok logam, polimer dan keramik . Pengelompokan ini berkaitan erat dengan pemrosesan. Material dapat juga kita kelompokkan berdasarkan sifat dasar seperti sifat mekanik, listrik, dan optik . Selanjutnya, kelompok tersebut dapat dibagi menjadi subkelompok. Sebagai contoh, material listrik biasanya diidentifikasi sebagai konduktor, semikonduktor, dan
isolator .
Apabila
klasifikasi
material
ditinjau
dari
kemampuan
konduktivitasnya maka akan terdapat tambahan: golongan material semikonduktor. Ditinjau dari segi struktur, terdapat jenis material tambahan yaitu material komposit.
Logam, Polimer, Keramik dan Komposit 1.
Logam Logam dikenal karena konduktivitas
termal dan listriknya yang tinggi. Logam tidak tembus cahaya, dan umumnya dapat dipoles hingga mengkilat (Gambar 1). Umumnya, meski tidak selalu, logam relatif berat dan mampu dibentuk. Apa
penyebab
karakteristik
logam
tersebut? jawaban yang paling sederhana ialah bahwa logam memiliki perilaku ini
Gambar 1. Logam
karena fakta bahwa elektron valensinya tidak terikat, namun dapat meninggalkan atom “induknya”. (sebaliknya, pada polimer dan keramik, elektron valensi tidak bergerak bebas seperti itu). Karena dalam logam beberapa elektronnya bebas bergerak, mereka dapat dengan mudah mentransfer muatan listrik dan energi termal. Sifat tidak tembus cahaya serta kemampuan pemantulan (reflectivity) pada logam disebebkan oleh respons dari elektron bebas tersebut terhadap getaran elektromagnetik pada frekuensi cahaya. Sifat-sifat ini merupakan hasil lain dari kebebasan parsial beberapa elektron dari atom induknya (Vlack, 2004). 4
Logam yang digunakan saat ini merupakan hasil dari suatu proses yang panjang. Berbagai proses dilakukan untuk memisahkan logam yang diinginkan dari unsur-unsur pengotornya. Rangkaian yang digunakan dalam menghasilkan suatu bahan atau material disebut Siklus Material (Gambar 2). Siklus Material ini menggambarkan perjalanan secara singkat bagaimana bahan atau material diperoleh, diolah menjadi suatu komponen, dipakai dan apabila telah rusak dibuang atau didaur ulang.
Gambar 2. Siklus Material
Material logam memiliki konduktor panas dan listrik yang sangat baik. Tak hanya itu, material ini juga memiliki sifat-sifat mekanis yang unggul dibandingkan dengan jenis material yang lain. Ada beragam jenis material logam yang ada saat ini, seperti yang terlihat di tabel periodik unsur, material logam menempati mulai dari golongan IA dan IIA serta golongan B (logam transisi). Dari sekian banyak jenis logam, ada beberapa logam yang mendapatkan porsi besar di dalam apikasiaplikasi dunia rekayasa (engineering). Logam-logam tersebut diklasifikasikan ke dalam istilah ferrous dan non-ferrous. Logam ferrous adalah yang yang berbasis 5
pada Besi (Fe) sebagai komponen penyusun utama sedangkan non-ferrous adalah selain Fe yang menjadi penyusun utamanya. Beberapa non-ferrous digolongkan ke dalam base metal dikarenakan muda bereaksi dengan oksigen (terkorosi) membentuk lapisan oksida di permukaannya. Beberapa non-ferrous tersebut adalah Aluminium (Al), Tembaga (Cu), Timbal (Pb), Seng (Zn), Nikel (Ni), dan Timah (Sn). Ada juga jenis non-ferrous lain yang juga banyak diaplikasikan yakni Magnesium (Mg) dan Titanium (Ti) (Anomin, 2011) Logam secara umum terbagi menjadi dua, yaitu logam besi ( ferrous) dan logam non-besi (non-ferrous). Skematik klasifikanya dapat dilihat pada gambar 3
Gambar 3. Klasifikasi Logam
6
Logam besi diklasifikasikan menjadi dua, yaitu baja dan besi cor. Baja didefinisikan sebagai paduan antara besi (Fe) dan unsur – unsur lainnya, dengan karbon (C) sebagai unsur yang paling dominan tetapi kandungannya dibatasi tidak lebih dari 2,11% C. Ditinjau dari kandungan karbonnya, maka pembagian baja dapat dikelompokkan sebagai berikut: 1. Baja karbon rendah (low carbon steel, < 0,2% C). 2. Baja karbon medium (medium carbon steel, < 0,2-0,5% C). 3. Baja karbon tinggi (high carbon steel, > 0,5% C) Sedangkan besi cor adalah paduan besi yang mengandung karbon di atas 2,1% C, silisium, mangan, fosfor dan belerang. Besi cor ini dapat digolongkan menjadi empat jenis, yaitu: 1. Besi cor kelabu 2. Besi cor putih 3. Besi cor malleabel 4. Besi cor noduler Paduan non besi terdiri dari 1. Aluminium 2. Tembaga 3. Nikel 4. Timah putih 5. Timbal 6. Magnesium 7. Titanium 8. Logam-logam mulia
2.
Polimer Polimer (yang umumnya dikenal sebagai plastik (Gambar 4) dikenal karena
densitasnya yang rendah dan pemanfaatannya sebagai isolator termal dan listrik. Plastik merupakan pemantul cahaya yang kurang baik, dan cenderung bersifat transparan atau translusen (setidak-tidaknya sebagai lembaran tipis). Selain itu, beberapa jenis plastik bersifat fleksibel dan dapat dibentuk. Karakteristik mampu bentuk ini dimanfaatkan fabrikasi (Vlack, 2004). 7
Gambar 4. Polimer Plastik http://koran-jakarta.com/images/berita/71949.jpg Berbeda dengan logam, yang memiliki elektron yang dapat bergerak, unsur nonlogam yang terletak disudut kanan atas tabel periodik memiliki afinitas untuk menarik atau berebagi elektron. Setiap elektron terkait dengan atom tertentu (atau pasangan atom tertentu). Jadi pada plastik, hanya dijumpai konduktivitas listrik dan termal yang terbatas, karena semua energi termal harus ditransfer dari daerah panas ke daerah dingin dengan getaran atomik, suatu proses yang jauh lebih lambat dibandingkan denga transpor energi elektronik yang terjadi pada logam. Selain itu, elektron dalam plastik yang kurang mampu bergerak lebih dapat menyesuaikan getaran cahaya sehingga tidak mengabsorpsi berkas cahaya. Material yang hanya mengandung unsur nonlogam, berbagi elektron untuk membentuk molekul besar, sering disebut makromolekul.
Aplikasi Polimer Sintetik Menurut Oxtoby, dkk (2003) terdapat tiga polimer yang paling banyak digunkan adalah serat, plastik, dan elastomer (karet). Kita dapat membedakan kegita jenis material berdasarkan sifat fisisnya, terutama ketahanannya terhadap uluran. 1.
Serat Banyak serat penting, termasuk kapas dan wol, adalah polimer alami. Polimer sintetik yang berhasil secara komersial dibuat tidak melalui reaksi polimerisasi tetapi melalui regenerasi kimia dari polimer selulosa alami.
8
2.
Plastik Plastik secara sederhana didefinisikan sebagai material ploimer yang dpat dicetak atau diekstruksi menjadi bentuk yang diinginkan dan mengeras setelah didinginkan atau pelarutnya diuapkan.
3.
Elastomer (karet) Elastomer iaalah polimer yang dapat di deformasi sampai ke ukuran yang sangat besar dan masih dapat pulih ke bentuk asalnya bila tekanan yang menyebabkan deformasi tersebut dihilangkan.
Semua produk yang merupakan hasil dan kecerdikan manusia merancang polimer ternyata terbatas dibandingkan polimer produk-produk alam. Contohnya adalah polisakarida, protein dan asam nukleat. Tumbuhan dan hewan menggunakan sebagai molekul berantai panjang dengan fungsi yan berbeda-beda.
3.
Keramik Keramik, adalah senyawa yang mengandung unsur logam dan nonlogam.
Banyak sekali contoh material keramik, mulai dari semen pada beton (bahkan batuan), gelas, isolator listrik, dan magnet permanen (Gambar 5).
Gambar 5. Keramik http://jowarstudios.files.wordpress.com/2010/12/keramik.jpg Keramik merupakan perpaduan antara unsur – unsur logam dan non logam yang kemudian membentuk suatu senyawa yang umumnya termasuk ke dalam jenis oksida, nitride, dan karbida. Sebagai contoh, beberapa keramik yang umumnya 9
dikenal yaitu Alumunium oksida (alumina atau Al 2O3), Silikon dioksida (silika atau SiO2), Silikon karbida (SiC), Silikon nitrit (Si 3 N4). Sebagai tambahan, juga terdapat beberapa material keramik yang termasuk ke dalam kelompok keramik tradisional seperti mineral – mineral, lempung, cement, batu bata, dan kaca. Grafit dan intan juga dimasukkan ke dalam kelompok keramik (Vlack, 2004) Masing-masing material ini relatif keras dan rapuh. Memang, kekerasan dan kerapuhan atribut umum dari keramik, begitu pula ketahanannya yang lebih tinggi terhadap suhu tinggi dan lingkungan gawat dibandingkan dengan logam atau polimer. Dasar untuk karakteristik tersebut juga berkaitan dengan perilaku elektronik dari atom-atom pembentuknya. Konsisten dengan kecenderungan alamiahnya, unsur logam melepas elektron kulit terluarnya dan memberikan elektron tersebut pada atom nonlogam, yang menangkapnya. Akibatnya, elektron tersebut tidak dapat bergerak, sehingga material keramik tipikal merupakan isolator listrik maupun isolator termal yang baik (Surdia dan Saito, 1999). Keramik biasanya dihubungkan dengan istilah “ikatan campuran” sebuah kombinasi dari ikatan kovalen, ionic, dan terkadang metalik. Terdiri dari deretan atom – atom yang saling berhubungan satu sama lain, dan tidak ada molekul yang terpisah. Karakteristik ini membedakan keramik dari padatan molekular, seperti kristal iodine (tersusun dari molekul I 2 yang terpisah) dan paraffin wax (tersusun oleh rantai panjang molekul alkana). Selain itu es, dimana tersusun dari molekul terpisah H2O, juga termasuk ke dalam kelompok ini walaupun memiliki perilaku seperti keramik.
Sifat Keramik Menurut Oxtoby, dkk (2003) menyatakan keramik mempunyai kelebihankelebihan dalam hal kekakuan, kekerasan, tahan aus, dan tahan korosi (terutama oleh oksigen dan air), meskipun pada suhu tinggi. Keramik memilki kerapatan kecil dari pada kebannyakan logam, yang membuatnya disukai sebagai pengganti logam bila bobot merupakan hal yang dipertimbangkan. Kebanyakan keramik merupakan isolator listrik yang baik pada suhu normal, sifat yang dimanfaatkan dalam elektronika dan transmisi daya. Kekuatan keramik bisa bertahan dengan baik pada suhu tinggi. Beberapa logam struktural yang penting melunak atau meleleh pada 10
suhu ribuan derajat dibawah titik leleh senyawa kimianya berupa keramik. °
Alumunium misalnya, meleleh pada suhu 660 C, sedangkan alumunim oksida (Al2O3), yaitu senyawa penting dalam banyak keramik tidak meleleh sampai suhu °
2051 C. Diamping kelebihan-kelebihan ini, terdapat kekurangan serius. Keramik biasanya getas atau kekuatan tariknya rendah. Keramik cenderung memiliki muai termal yang tinggi tetapi konduktivitas termalnya rendah, membuatnya sering terkena kejutan termal, yaitu perubahan suhu lokal secara mendadak yang membuatnya retak atau remuk. Logam dan plastik bengkok atau berubah oleh tekanan, tetapi keramik tidak dapat mengabsorpsi tekanan dengan cara ini, malah pecah. Kelemahan utama keramik adalah sebagai material bangunan ialah cenderung untuk rusak dalam penggunaannya tidak dapat di prediksi dan bisa menimbulkan bencana. Selain itu, keramik, dapat kehilangan kekuatan mekanisnya jika lama digunakan, dan ini merupakan masalah yang tidak terlihat namun serius (Hari dan Daryanto, 1999).
3. Preparasi Logam
Metalurgi adalah ilmu pengetahuan dan teknologi logam, pengolahan dari bijihnya, pemurnian, serta studi sifat maupun penggunaanya, namun demikian, dalam kesempatan ini hanya dipelajari pemurnian logam hasil pengolahan logam dari bijihnya. Menurut Sugiarto dan Retno (2010), ada tiga tahap yang umum yaitu pemekatan bijih, ekstraksi logam dan bijihnya termasuk reduksi logam, dan pemurnian (refining) logam. a.
Pemekatan
Pada tahap ini mineral yang berharga di pisahkan semaksimal mungkin dari batu-batuan yang tidak di inginkan. Biasanya hal ini di lakukan dengan penggerusan bijih menjadi pecah-pecahan yang lebih kecil, kemudian pemisahan di lakukan dengan metode flotasi (flotation). Menutut metode ini, bijih gerusah harus di masukkan kedalam sebuah tangki yang berisi air, agen pelengket, seperti minyak tusam (pine oil), yang akan membasahi mineral pembawa logam tetapi tidak membasahi partikel-partikel batu silikat yang tidak di inginkan, agen aktif 11
permukaan dan mungki juga agen pembuih. Agen aktif permukaan berfungsi seperti molekul sabun atau deterjen yang memiliki
satu ujung hidrofofobik
(hidrokarbon) yang dapat di tarik ke dalam gelembung membawa mineral kedalam buih (busa). Campuran kemudian di aduk dengan kuat, dan arus udara di semprotkan dengan kuat ke dalam tangki sehingga partikel mineral terbawa ke permukaan oleh gelembung udara sebagai buih dan selanjutnya dapat di pisahkan. Sebagian besar batu-batuan yang tidak diinginkan tenggelam kedasar tangki.
b.
Ekstraksi
Ekstraksi logam dari bijih pekat melibatkan proses reduksi logam dari tingkat oksidasi positif menjadi logam bebas. Sebelum reduksi, biasanya diperlukan beberapa perlakuan lain seperti proses sintering dan calcining. Sintering (pelengketan) adalah sutu pemanasan bijih lembut tanpa pelelehan untuk memperoleh bijih yang lebih besar ukurannya sedangkan calcinning (kalsinasi)
adalah
suatu
pemanasan
bijih
karbonat
atau
oksidasi
untuk
membebaskan gas karbon atau oksidasi untuk membebaskan gas karbon di oksida, misalnya : 4 FeCO3 (s) + O 2 (g) → 2 Fe2O3 (s) + 4CO 2 (g) Selain itu dapat juga di jadikan roasting (pemanggangan), yaitu suatu proses pemanasan dalam oksigen atau udara di bawah titik leleh bijih yang bersangkutan yang biasanya dilakukan pada bijih sulfide untuk memperoleh oksidasinya, misalya: 2 PbS
(s)
+ 3 O2→ 2 PbO (S) + 2 SO2
Kedua proses tersebut pada dasarnya dilakukan untuk memperoleh bijih oksidasinya. Proses untuk ekstraksi, reduksi dan pemurnian logam secara umum dibagi dalam tiga macam metalurgi yaitu pirometalurgi, elektrometalurgi dan pirometalurgi.
Pirometalurgi melibatkan reaksi kimia yang dilaksanakan pada temperature tinggi. misalnya dalam smelting (peleburan atau pelelehan) reduksi mineral menghasilkan lelehan logam yang dapat di pisahkan dari batuan yang tidak di inginkan. Dalam proses reduksi ini biasanya di pakai karbon atau logam lain. 12
Oksida-oksida hasil pemanggangan bijih sulfide atau hasil kalsinasi bijih karbonat tersebut umumnya direduksi dengan peleburan oleh karbon, menurut persamaan reaksi: ∆
ZnO(s) + C(s)
Zn(s) + CO(g)
Hidrometalurgi
Merupakan istilah umum untuk suatu proses yang melibatkan air dalam ekstraksi dan reduksi logam. Dalam proses peluluhan atau peumeran (leaching), logam atau senyawanya terlarut dan lepas dari bijihnya atau langsung keluar dari endapan bijihnya oleh air, sehingga terbentuk larutan logam tersebut dalam air. Hidrometalurgi memberikan beberapa keuntungan : 1.
bijih tidak harus dipekatkan, melainkan hanya di hancurkan menjadi bagian bagian yang lebih kecil
2.
pemakain batu bara dan cokas pada pemanggan bijih dan sekaligus sebagai reduktor dalam jumlah besar dapat di hilangkan
3.
polusi atmosfer oleh hasil samping pirometalurgi sebagai belerang dioksida, arsenic(III) oksida, dan debu tungku dapat di hindarkan
4.
untuk bijih-bijih petingkat rendah (lower grade) metode lebih efektif.
Elektrometalurgi
Merupakan suatu proses reduksi mineral atau pemurnian logam yang menggunakan energy listrik. Natrium dan aluminium diproduksi menurut metode elektrometalurgi. a.
Preprasi Alumunium
Aluminium merupakan logam yang menduduki peringkat ketiga terbanyak didunia. Di Indonesia alumnium terdapat di Pulau Bintan (Kijang) dan di Kalimantan Barat (Tayan). Industri yang mengolah bijih bauksit menjadi aluminium ingot terdapat di PT Inalum Asahan Sumatera Utara. Produksi aluminium berawal dari penambangan dan pemurnian bauksit. Dengan tahapan proses seperti ditunjukkan pada gambar 1.16 diperoleh aluminium ingot murni.
13
Gambar 6. Proses Preparasi Aluminium b.
Preparasi Natrium
Seperti logam-logam alkali yang lain, natrium tidak ditemukan dalam keadaan murni di alam karena reaktivitasnya yang sangat tinggi. Logam putih keperakan ini dalampabrik biasanya diproduksi secara elektrometalurgi menurut proses Downs, yaitu mengelektrolis lelehan natrium klorida (titik leleh sekitar 801 0C) Elektrolisis ini dikerjakan dalam sebuah sel silindrik dengan anode grafit dipasang ditengah (sentral) dan kotode baja dibuat mengelilingi anode. Untuk menurunkan suhu elektrolisis, ditambahkan kalsium klorida. Katode
: 2Na+(NaCl) + 2e
Anode
: 2Cl- (NaCl)
→ 2 Na (l) → Cl2(g) + 2e 14
Pengolahan Logam dari Bijih Sulfida a.
Tembaga
Pada mulanya, bijih tembaga dipekatkan dengan penggerusan, kemudian dipanggang dan dilebur dalam proses multitahap yang memisahkan besi dan tembaga sulfide yang ssebagian besar ada dalam bijih tembaga (kasoit-Cu 2S, kalkopirit-CuFeS2). Bijih pertama-tama dipanggang untuk membebaskan sebagian belerang sebagai belerang dioksida dan belerang trioksida. Kemudian pemanasan dalam tungku dengan fluks silica akan mengubah oksida-oksida besi dan beberapa besi belerang menjadi ampas (slag), dan menghasilkan campuran lelehan tembaga sulfide dan besi sulfide dengan ampas besi silikat terapung diatas. b.
Zink
Bijih zink yang paling umum adalah sfalerit atau zinkblende, ZnS, dan smitsonit, ZnCO3 ; lainnya dalah zinkit, ZnO, dan franklinite (Zn,Mn)OnFe 2O3, dengan rasio Zn,Mn, dan Fe 2O3 bervariasi. Titik didih zink yang rendah (907 oC) memungkinkan dapat dilakukan distilasi terhada lelehan bijih zink yang sering diikuti distilasi lanjut untuk permunian logam zink. Metalurgi bijih franklinite sangat menarik, karena pada reduksi pada temperature tinggi menghasilkan zink, mangan, dan besi. Zink dapat dipisahkan dengan distilasi, sedangkan campuran mangan-besi dapat langsung dijadikan logam panduan atau baja.
Besi dan Baja
Seperti halnya tembaga dan zink, besi terdapat dialam sebagai sulfidanya, FeS, atau Fe2S2 tetapi, mineral ini tidak dimanfaatkan sebagai bijih karena sisa-sisa kelumit belerang sulit dihilangkan. Hematite, Fe 2O3 adalah yang paling tinggi kelimpahannya setelah magnetit,Fe2O4 atau FeO. Bijih takonit, terutama merupakan oksida-oksida besi yang mengandung silica, dewasa ini penggunaannya sebagai sumber besi di amerika mengalami kenaikan. Bijih ini benar-benar sangat keras dan sulit ditangani, namun penelitian metalurgi telah berhasil mengatasi sebagian besar problem yang dihadapi.
15
4. Aloi (Logam Paduan)
Apa yang dimaksud dengan logam? Logam adalah suatu unsur yang memiliki sifat menghantarkan listrik dan panas yang baik, mempunyai kekuatan dan keuletan, tidak meneruskan cahaya dan apabila permukaannya dipoles hingga mengkilap dapat memantulkan cahaya. Pada gambar 6 ditunjukkan keberadaan unsur logam dalam susunan tabel periodik (terdapat hampir 80%).
Gambar 7. Tabel periodik. Kebanyakan logam berasal dari dalam tanah pada daerah-daerah tertentu. Di Indonesia mineral-mineral logam terdapat dari Sabang sampai Merauke, seperti Di Aceh terdapat timbal (galena-PbS), di Bintan terdapat alumunium (bauksitAl2O3nH20), di Bangka-Belitung timah putih (kasiterit-SnO 2), sepanjang pantai selatan pulau Jawa pasir besi, Pongkor Jawa Barat, Cikotok Banten dan Sumbawa terdapat emas, Pomalaa Sulawesi Selatan dan Maluku terdapat nikel dan Papua di Timika terdapat tembaga dan emas serta daerah daerah lainnya (gambar 7).
16
Gambar 8. Peta mineral-mineral logam di Indonesia. Bentuk-bentuk batuan mineral yang terdapat di alam berbeda-beda, gambar 8 menunjukkan bentuk batuan untuk berbagai jenis mineral.
17
Gambar 9. Berbagai jenis mineral; (a) aluminium (bauksit-Al 2O3nH 20), (b) timah putih (kasiterit-SnO2 ), (c) emas,(d) timbal (galena-PbS), (e) besi (hematit-Fe2O3 ), (f) nikel (nikelit-NiAs), (g) tembaga (malasit-Cu2CO3(OH)3 ), (h) perak (argentit-Ag 2S).
Logam paduan atau aloi merupakan bahan campuran yang mempunyai sifatsifat logam yang terdiri dari dua atau lebih unsur-unsur dan sebagai unsur utamanya adalah logam. Atom-atom logam yang berbeda dalam aloi diikat bersama oleh ikatan metalik. Hal ini sama halnya dengan molekul-mlekul yang dibentuk dari pasangan
atom-atom
nonlogam
yang
berbeda
yang
diikat
oleh
ikatan
kovalen,dimana ikatan metalik paralel terhadap ikatan kovalen. Ada 2 macam dari aloi : a.
Larutan Padatan
Dalam larutan ini, logam lelehan becampur membentuk suatu campuran homogeny, dimana atom-atom kedua macam logam harus mempunyai ukuran yang hampir sama dan kedua keristal metalik juga sama strukturnya, dan sifat-sifat kimiawi keduanya pun harus mirip. Contohnya: Ferrous 18
Ferrous
Logam ferrous lebih banyak diaplikasikan di dalam dunia rekayasa karena sifat mekanis yang ditawarkan dari jenis-jenisnya yang berbeda. Berdasarkan konsentrasi karbonnya maka kelompok logam ferrous dibedakan menjadi baja (steel) dan besi tuang (cast iron). Baja (steel) Karbon didalam matriks besi akan memperkuat besi yang dalam keadaan murni rendah sifat mekaniknya. Jika didalammatriks besi kandungan karbonnya maksimal 2 % maka disebut sebagai baja, teapi jika kandungan karbonnya lebih besar dari 2% maka disebut sebagai besi tuang. Baja kemudian diklasifkasikan lagi kedalam jenis-jenis berdasarkan kisaran karbon yang terkandung di dalam matriks besi. Ada beberapa
jenis fasa yang
terdapat di dalam baja dan juga besi tuang. Fasa-fasa tersebut adalah seprti yang terlihat pada fasa Fe-C.
Gambar 10. Contoh aplikasi baja karbon http://www.steelpipes.org/gavin/uploads/allimg/120430/163030D31-0.jpg
Besi Tuang (Cast Iron) Adapun besi dengan kandungan karbon yang lebih besar daripada 2% maka disebut sebagai besi tuang. Besi tuang memiliki kandungan karbon jenuh sehingga kelebihan karbon ini akan berbentuk karbon bebas yang tidak mengisi matriks dari besi.
Gambar 11. Contoh aplikasi besi tuang http://rajalampu.files.wordpress.com/2011/090 19
Non Ferous
Logam-logam selain besi disebut sebagai non-ferous metal. Seperti yang disinggung sebelumnya sebagai contoh dari logam-logam tersebut adalah alumanium, logam, nikel, dan lain-lain serta paduan-paduannya. Ada beberapa kriteria yang diinginkan dari material ini untuk aplikasi-aplikasi struktural tertentu pada bidang rekayasa seperti ringan, kekuatan tingggi, non-magnetik, titik lebur ringgi, ketahanan terhadap korosi karena lingkungan atau kimia. Alumanium Logam alumanium dalam keadaan murni sangat lunak, ringan, tidak beracun (sebagai logam), non-magnetik. Alumanium juga mudah dibentuk, dimesin, dan dituang. Untuk meningkatkan kekuatannya maka alumanium dipadu dengan beberapa jenis logam lain yang memiliki struktur kristal yang sama. Alumanium paduan (alloy) kemudian diklasifikasikan ke dalam beberapa seri sesuai dengan logam pemadunnya. Logam alumanium murni diproleh dari proses ekstraksi bijih logamnya yang disebut Bauxite dengan proses eloktrolisis. Proses eloktrolisis yang melibatkan energy listrik untuk membebaskan logam alumanium dari pengotor bjinya dinamakan proses bayer. Biji bauxite yang berasal dari tambnag tidak bisa begit saja direduksi dengan reduktor seperti pada proses pengolahan besi baja. Bijih bauxite harus dirubah terlebih dahulu menjadi almina (Al 2O3) untuk dapat diekstrak logam alumaniumnya. Alumina kemudian dicampur dengan eloktrolit yang disebut cryollite pada saat proses elektrolisis. Logam alumina kemudian akan terkumpul pada katoda dan akan stripping lalu dileburkan kembali dan dicetak menjadi ingot.
Gambar 12. Aplikasi Alumanium dan paduannya http://images-of-elements.com/aluminium-2.jpg Tembaga Tembaga merupakan logam yang sangat penting
kehadirannya dalam
perdaban manusia. Logam ini menjadi awalan perubahan perdapan yang lebih maju yakni peradapan zaman perunggu dimana perkakas yang terbuat dari perunggu 20
(paduan antara Cu dan Sn). Logam tersebut lunak serta memiliki konduktifitas termal dan listrik yang sangat baik/tinggi. Logam Cu murni lunak dan mudah dibentuk, dipermukaannya akan terbentuk tarnish berwarna jingga kemerahan jika terekpos udara. Ada beberapa jenis paduan tembaga dipergunakan di dalam dunia rekayasa, berikut adalah beberpa jenis tersebut. Tembaga diekstrak dari bijih logamnya yang umumnya ditambang yaitu chalcopyrite (CuFeS 2) dan bornite (Cu5FeS4). Tidak seperti alumanium yang hanya bisa diekstrak dengan energy listrik, tembaga dapat diekstrak dengan dua metode yaitu dengan mereduksinya memakai reduktor dengan bantuan panas(pyrometallurgy) atau energy listrik dengan elektrolisiss (hydrometallurgy).
Gambar 13. Logam tembaga dan paduannya www.vibiznews.com Nikel Nikel adalah salah satu logam non-ferrous yang sangat penting di dalam dunia rekayasa. Logam ini memiliki ketahanan mulur (creep) yang sangat baik. Sifat tersebut sangat penting untuk aplikasi-aplikasi yang berada pada temperature sangat tinggi dimana logam lain tidak dapa bertahan. Untuk aplikasi-aplikasi yang membutuhkan ketahanan korosi yang baik sangat membutuhkan keberadaan logam ini. Logam nikel bersama kromium dan besi membutuhkan paduan baja tahan karat 21
(stainless steel) yang sangat banyak diaplkasikan untuk perlatan-peralatan yng tahan korosi. Logam nikel diekstrak dari bijih logamnya dengan menggunakan metode baik pyrometallurgy maupun hydrometallurgy. Bijih logam nikel yang umumnya ditambang ada dua yaitu dari jenis sulfide dan oksida, dari jenis sulfide umumnya pentlandia dan dari jenis oksida adalah latarite. Karena ketahanan korosi yang baik dan juga pada emperature tinggi maka nikel banyak diaplikasikan untuk pembuatan turbin untuk pesawat terbang. Nikel digunakan di banyak industry dan produk-produk konsumsi, termasuk baja tahan karat,magnet,koin baterai isi ulang, senar gitar dan paduan-paduan khusus. Nikel juga digunakan unuk pelapisan dan sebagai penghasil warna hijau dalam gelas. Nikel merupakan logam pemadu yang unggul dan kegunaan utamanya adalah pada baj nikel dan besi tuang nikel yang bermacammacam jenis. Nikel juga banyak dipergunakan untuk paduan-paduan lainnya,seperti kunngan dan perunggu nikel dan juga paduan-paduan dengan tembaga, kromium, alumanium, timbal, kobalt, perak, dan emas. Berikut beberapa penggunaan nikel dalam berbagai bidang: water treatment (4%), pulp and paper (8%).
Gambar 14. Contoh aplikasi nikel dan paduannya Dari sektor-sektor tersebut nikel dikonsumsi dalam bentuk logam-logam yang dapat diklasifikasikan secara sederhana sebagai berikut yakni; baja tahan karat (stainless steal), paduan-paduan super, logam murni untuk pelapisan, dan dalam bentuk unsure pemadu untuk jnis paduan-paduan logam lainnya.
b.
Senyawa Aloi
Senyawa aloi berhubungan dengan jumlah elekton valensi untuk setiap paduan. perbandingan elektron valensi terhadap jumlah atom paduan adalah 22
tertentu. Naiknya jumlah elektron valensi terhadap jumlah atom dalam senyawa aloi mengakibatkan atom-atom logam terikat besama lebih kuat, sehingga menaikkan sifat kekerasannya. Contohnya: Paduan ZrNi3
Untuk ZrNi3 (fcc) dengan 12 elektron valensi dan 4 atom paduan, nilai perbandingannya adalah sebesar 12/4 = 3,0. Fasa zirkonium alfa (Zr-α) mempunyai 5,2 elektron per atom dan fasa beta mempunyai 8 elektron per atom. Maka dari itu, kelarutan pemadu secara umum di fasa Zr-β lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan
di
fasa
Zr-α.
Pertimbangan
yang
lain
dalam
paduan
adalah
elektronegativitas. Jika perbedaan elektronegativitas atom terlarut dan pelarut besar, maka kristal akan memiliki sifat ionik. Sebagai contoh, natrium dengan klor mempunyai perbedaan elektronegativitas sebesar 2,33 maka kristal tersebut bersifat ionik. Perbedaan elektronegativitas memang diperlukan supaya terjadi ikatan yang kuat. Timah dan molibdenum lebih elektronegatif jika dibandingkan dengan zirkonium (Zr=1,33; Sn=1,96; Mo=1,33). Kekerasan dipengaruhi oleh unsur pemadu yang membentuk fasa kedua hasil reaksi antara unsur matrik dengan unsur pemadunya. Fasa kedua dapat membentuk inklusi atau presipitat. Pengaruh oksigen, nitrogen dan karbon terhadap kekerasan sangat signifikan, sehingga atmosfir harus dikondisi dengan argon. Mikrostruktur juga berpengaruh pada kekerasan. Parameter mikrostruktur yang berpengaruh antara lain ukuran butir, bentuk butir, semakin kecil ukuran butir suatu paduan semakin besar kekuatannya atau semakin meningkat kekerasannya. Seharusnya semakin besar ukuran butir tersebut, bahan menjadi semakin lunak. Jadi yang menentukan
kekerasan
pada
paduan
tersebut
bukan
ukuran
butir
tetapi
kemungkinan fasa kedua paduan. Perubahan Struktur pada bahan paduan terdiri dari phase tunggal,serta phase campuran, dimana phase adalah bagian dari perubahansistem kimia untuk menghasilkan paduan dengan karakter khusus bergantung pada komposisi dan temperatur pendinginannya. Phase berada selama pendinginan dan pada temperatur ruangan serta tergantung pula pada perilaku susunan unsur unsur lainnya. 23
Pengaruh Unsur Campuran
Pengaruh unsur campuran sukar diketahui secara tepat untuk setiap satu unsur campuran karena pengaruhnya tergantung pada jumlah yang digunakan, jumlah penggunaan dan unsur-unsur lainnya. Shape Memory alloy (SMA)
SMA merupakan paduan yang dapat mengingat bentuk aslinya. Paduan ini dibentuk dengan peroses tempa dingin sehingga komponen yang terbuat dari paduan ini dapat kembali ke bentuk asalnya dengan cara dipanaskan. Material ini merupakan alternatif material yang ringan ang dapat menggantikan aktuator konnsional seperti
hydraulic, pneumatic, and motor-based system. Aplikasinya
juga meliputi: kedokteran dan ruang angkasa.
Gambar 15. Shape Memory Alloy Dengan memadukan dua logam atau lebih dapat diperoleh sifat-sifat yang lebih baik dari pada logam aslinya. Memadukan dua logam yang lemah dapat diperoleh logam paduan yang kuat dan keras. Misalnya tembaga dan timah, keduanya adalah logam yang lunak, bila dipadukan menjadi logam yang keras dan kuat dengan nama perunggu. Besi murni adalah bahan yang lunak sedangkan zat arang (bukan logam)
24
adalah bahan yang rapuh, paduan besi dengan zat arang menjadi baja yang keras dan liat. Logam pada umumnya terdapat di alam (tambang) dalam bentuk bijih-bijih berupa paduan atau mineral. Biji logam tersebut masih terikat dengan unsur-unsur lain sebagai oksida, sulfida atau karbonat.
25
DISKUSI
26
Kesimpulan 1.
Kesimpulan
a.
Sejarah
ilmu
metalurgi
diawali
dengan
teknologi
pengolahan
hasil
pertambangan. Perkembangan historis metalurgi besi dapat ditemukan dalam berbagai budaya dan peradaban lampau. Ini mencakup kerajaan dan imperium kuno dan abad pertengahan. Berdasarkan kedekatan antara metalurgi dengan pertambangan inilah maka pada awalnya pendidikan metalurgi lahir dari sekolah-sekolah pertambangan seperti pendidikan metalurgi di Colorado School of Mines.
b.
material di klasifikasikan menjadi berbagai tipe yang memiliki karakteristik yang sama. Salah satu cara pengelompokkan material, berdasarkam ikatan atom dan struktur, menghasilkan kelompok logam, polimer dan keramik .
c.
Metalurgi ada tiga tahap yang umum yaitu pemekatan bijih, ekstraksi logam dan bijihnya termasuk reduksi logam, dan pemurnian (refining) logam. Proses untuk ekstraksi, reduksi dan pemurnian logam secara umum dibagi dalam tiga macam metalurgi yaitu pirometalurgi, elektrometalurgi dan pirometalurgi.
d.
Ada dua jenis aloi yaitu, larutan padatan dan senyawa aloi. Larutan padatan terbagi atau ferrous yang terdiri atas baja dan besi tuang dan non ferrous dengan contoh alumanium, logam, nikel, dan lain-lain serta paduan-paduannya,
27
