Mata Kuliah
Metalurgi Fisik
Dosen : Tri Surawan M.Si Fakultas Teknologi Industri Universitas Jayabaya
Pengertian Difusi Difusi adalah perpindahan atau aliran atom, ion, elektron, lubang dan molekul dari satu material ke material material yang lain. Difusi tergantung pada gradien konsentrasi dan suhu.
Dalam teknologi pengolahan bahan, kontrol kontrol atas difusi atom, ion, atau molekul adalah sangat penting. Ada banyak aplikasi dan teknologi yang bergantung pada peningkatan atau pembatasan difusi. •
Contoh Aplikasi Difusi •
Karburisasi untuk Permukaan Pengerasan Baja. Dalam karburisasi, sumber karbon, seperti bubuk grafit atau fase gas yang mengandung karbon, menyebar ke komponen baja permukaan gigi roda gir pada mesin. Difusi doping untuk komponen Semiconductor Pembuatan sambungan p-n pada transistor melibatkan penyebaran atom dopan, seperti fosfor (P), arsen (As), antimon (Sb), boron (B), aluminium (Al), dll. Keramik konduktif Difusi ion, elektron, atau lubang memainkan peran penting dalam konduktivitas listrik pada banyak keramik konduktif. Lithium kobalt oksida (LiCoO2) adalah bahan konduktif ionik yang digunakan dalam baterai lithium ion. Oksidasi Aluminium Sebenarnya, oksidasi aluminium (karat) lebih mudah dari besi. Namun, aluminium oksida (Al2O3) membentuk lapisan yang sangat protektif tipis di permukaan aluminium mencegah difusi lanjut oksigen dan menghambat oksidasi lebih lanjut dari aluminium. •
•
•
•
•
•
•
• •
Stabilitas Atom dan Ion Ketidaksempurnaan kristal pada bahan menyebabkan atom atau ion dalam posisi normal dalam struktur kristal menjadi tidak stabil. Atom atau ion dipengaruhi energi panas, dan mereka akan bergerak dan dapat berpindah dari lokasi struktur kristal yang normal untuk menempati lowongan di dekatnya. Laju difusi gerakan atom atau ion berhubungan dengan suhu dan energi panas yang dinyatakan dalam persamaan Arrhenius, yaitu :
Mekanisme untuk Difusi Proses difusi-diri (self-diffusion) yaitu proses atom bergerak atau “melompat” dari satu posisi kisi ke kisi yang lain karena adanya lowongan dalam bahan. Meskipun difusi-diri terjadi terus menerus di semua bahan, efeknya pada perilaku material umumnya tidak signifikan. Dapat dideteksi dengan menggunakan pelacak radioaktif. •
•
Interdifusi yaitu difusi atom yang berbeda dalam arah yang berbeda. Pada suhu tinggi, atom nikel secara bertahap berdifusi ke tembaga, dan atom tembaga bermigrasi ke nikel sampai atom nikel dan tembaga akhirnya didistribusikan secara merata. •
Difusi Lowongan yaitu atom meninggalkan lokasi kisinya untuk mengisi kekosongan di dekatnya sehingga menciptakan lowongan baru di kisi aslinya. Jumlah lowongan yang meningkat dengan naiknya suhu, mempengaruhi laju difusi diri dan difusi atom substitusi. •
Difusi interstitial yaitu interstitial atom kecil atau ion hadir dalam struktur kristal, atom atau ion bergerak dari satu tempat interstitial yang lain. Karena lebih banyak tempat interstitial daripada lowongan, maka difusi interstitial terjadi lebih mudah daripada difusi lowongan. •
Energi Aktivasi untuk Difusi Difusi atom membutuhkan energi aktivasi untuk melewati atom sekitarnya agar memungkinkan atom untuk pindah ke posisi baru. Energi aktivasi (Q v) berasal dari pasokan energi termal atom atau ion yang dibutuhkan untuk melewati penghalang.
Energi aktivasi untuk difusi interstitial lebih rendah daripada difusi lowongan, karena energi yang diperlukan untuk menekan atom interstitial untuk melewati atom sekitarnya lebih rendah.
Data Difusi untuk Bahan tertentu Keterangan : Q = energi aktivasi. D0 = koefisien difusi ketika 1/T = 0.
Laju Difusi [Hukum pertama Fick] Adolf Eugen Fick (1829-1901) adalah ilmuwan pertama yang memberikan deskripsi kuantitatif dari proses difusi. Hukum pertama Fick menyatakan :
Tanda negatif menunjukkan bahwa proses difusi adalah dari konsentrasi tinggi ke yang lebih rendah.
di mana J = laju difusi (fluks) D = koefisien difusi (cm2/s) dc/dx = gradien konsentrasi (atom/cm3.cm) Gradien Konsentrasi Gradien Konsentrasi
dc
dx CA
CB
xA
xB
Contoh Soal Pelat besi terkena karburasi (penambahan karbon) di satu sisi dan decarburisasi (pengurangan karbon) di sisi lain pada 700° C. Jika kondisi steady state tercapai, hitung laju difusi karbon melalui pelat jika konsentrasi karbon pada posisi 5 x 10-3 m dan 10-2 m) dengan konsentrasi karburasi adalah 1,2 kg/m3 dan 0,8 kg/m3. Asumsikan koefisien difusi adalah 3 x 10 11 m2/s pada suhu ini.
Penyelesaian : Gunakan Hukum pertama Fick untuk menentukan laju difusi.
Contoh Soal Lapisan magnesium oksida (MgO) 0,05 cm diendapkan antara lapisan Nikel (Ni) dan Tantalum (Ta). Pada 1400°C, ion Nikel berdifusi melalui keramik MgO ke Tantalum. Tentukan laju difusi ion Ni yang melewati MgO per detik. Pada 1400°C, koefisien difusi ion Ni di MgO adalah 9 x 10-12 cm2/s, tiap kisi berisi 4 atom Ni dan parameter kisi Ni pada 1400°C adalah 3,6 x 10-8 cm.
Penyelesaian : Konsentrasi nikel pada antarmuka Ni/MgO adalah 100% Ni :
Konsentrasi nikel pada antarmuka Ta/MgO adalah 0% Ni. Dengan demikian, gradien konsentrasi adalah :
Laju difusi atom nikel melalui lapisan MgO adalah :
Suhu dan Koefisien Difusi Hubungan Koefisien Difusi (D) dengan suhu dan energi aktivasi dinyatakan dalam persamaan Arrhenius yaitu :
di mana : Q adalah energi aktivasi (dalam satuan cal/mol) untuk difusi R adalah konstanta gas (1987 cal/mol.K) T adalah suhu mutlak (K). D0 adalah konstanta untuk sistem difusi yang nilainya sama dengan nilai koefisien difusi pada 1/T = 0 atau T =
Contoh Soal Perhatikan pasangan difusi antara tungsten murni dan paduan tungsten yang mengandung 1% Thorium. Setelah beberapa menit dipanasi pada 2000 °C, terbentuk zona transisi setebal 0,01 cm dan konsentrasi gradien adalah -6,3 x 1022 Th atom/cm3.cm. Berapa laju difusi atom thorium saat itu jika terjadi : (a) difusi volume (D0 = 1,00 cm2/s dan Q = 120.000 cal/mol) (b) difusi batas butir (D0 = 0,74 cm2/s dan Q = 90.000 cal/mol) Penyelesaian :
(a) difusi volume
(b) difusi batas butir
Jenis Difusi Dalam difusi volume, atom-atom bergerak melalui kristal dari satu tempat ke tempat yang lain. Karena energi aktivasi besar atom sekitarnya, maka laju difusi relatif lambat. Atom juga dapat menyebar sepanjang batas, interface, dan permukaan dalam materi. Atom berdifusi dengan mudah oleh difusi batas butir, karena kemasan atom teratur dan kurang padat di batas butir. Karena atom dapat lebih mudah memeras dengan cara mereka melalui batas butir, energi aktivasi rendah. Difusi permukaan lebih mudah masih karena ada bahkan kurang kendala pada atom menyebar di permukaan.
Waktu untuk Difusi Difusi membutuhkan waktu. Unit untuk fluks yang. Jika sejumlah besar atom harus berdifusi untuk menghasilkan struktur yang seragam, kali panjang mungkin diperlukan, bahkan pada suhu tinggi. Kali untuk perawatan panas dapat dikurangi dengan menggunakan suhu yang lebih tinggi atau dengan membuat jarak difusi (terkait dengan x) sekecil mungkin. Baja dibekukan cepat dari suhu tinggi untuk mencegah difusi bentuk struktur non-equilibrium dan memberikan dasar untuk perawatan panas canggih.
Tergantung pada Ikatan dan Struktur Kristal Difusi interstitial, dengan energi aktivasi rendah, biasanya terjadi jauh lebih cepat dari kekosongan, atau difusi substitusi. Energi aktivasi biasanya lebih rendah untuk atom menyebar melalui struktur kristal terbuka daripada struktur kristal tertutup. Karena energi aktivasi tergantung pada kekuatan ikatan atom, untuk difusi atom lebih tinggi dalam bahan dengan suhu lebur tinggi. Energi aktivasi untuk kation (ion bermuatan positif) dengan ukuran yang lebih kecil sering memiliki koefisien difusi lebih tinggi daripada anion (ion bermuatan negatif). Misalnya untuk Natrium klorida, energi aktivasi untuk difusi ion klorida (Cl-) adalah sekitar dua kali lipat dibandingkan difusi ion natrium (Na+).
Hukum Kedua Fick Hukum kedua Fick menggambarkan difusi atom dinamis atau non-steady state. Yaitu laju difusi dan gradien konsentrasi di beberapa titik tertentu dalam padatan bervariasi dengan waktu.
Hukum kedua Fick dinyatakan sebagai persamaan diferensial parsial :
di mana : cs adalah konsentrasi atom menyebarkan di permukaan material c0 adalah konsentrasi seragam awal atom menyebar dalam materi cx adalah konsentrasi atom yang menyebarkan di lokasi x di bawah permukaan setelah waktu t.
Hukum Kedua Fick Solusi untuk hukum kedua Fick dinyatakan :
Nilai-nilai fungsi Kesalahan (error function) untuk hukum kedua Fick :
Contoh Soal Permukaan roda gigi baja 0,1% karbon harus dikeraskan dengan karburasi. Dalam karburasi gas, roda gigi baja ditempatkan dalam suasana yang menyediakan 1,2% karbon pada permukaan baja pada suhu tinggi. Karbon kemudian berdifusi dari permukaan ke dalam baja. Agar hasilnya optimal, baja harus berisi 0,45% karbon pada kedalaman 0,2 cm di bawah permukaan. Asumsikan bahwa suhu cukup tinggi (minimal 900 °C) sehingga besi memiliki struktur FCC dan . Pada proses ini, D0 = 0,23 dan Q = 32.900 cal/mol.
Penyelesaian :
Diketahui bahwa cs = 1,2% C, c0 = 0,1% C, cx = 0,45% C, dan x = 0,2 cm. Dari hukum kedua Fick :
Koefisien difusi D terkait dengan suhu adalah :
Dari soal diketahui :
sehingga
Oleh karena itu, hubungan suhu dan waktu dalam perlakuan panas adalah :
Maka, menghasilkan beberapa kombinasi suhu dan waktu sebagai berikut : Jika T = 900 °C = 1173 K, maka t = 116.273 s = 32,3 jam Jika T = 1000 °C = 1273 K, maka t = 38.362 s = 10,7 jam Jika T = 1100 °C = 1373 K, maka t = 14.876 s = 4,13 jam Jika T = 1200 °C = 1473 K, maka t = 6.560 s = 1,82 jam
Contoh Soal Komponen elektronik seperti transistor dibuat dengan doping semikonduktor. Koefisien difusi fosfor (P) di Silikon adalah D = 6,5 x 10-13 cm2/s pada suhu 1100 °C. Asumsikan konsentrasi permukaan 1020 atom/cm3 dan waktu difusi adalah satu jam. Asumsikan bahwa wafer silikon awalnya tidak mengandung P. Hitung kedalaman di mana konsentrasi P akan 1018 atom/cm3. Diketahui erf(1,82) = 0,99. Penyelesaian : Solusi dari hukum kedua Fick menyatakan : Dari soal diketahui bahwa c s = 1020 atom/cm3, cx = 1018 atom/cm3, c0 = 0 atom/cm3.
Karena erf(1,82) = 0,99 maka :
Pada kedalaman 1,76 μm, konsentrasi P adalah 10 18 atom/cm3
Keterbatasan penggunaan Fungsi Error Persamaan hukum kedua Fick selalu menggunakan 2 asumsi yaitu : 1. Diasumsikan bahwa D independen dari konsentrasi penyebaran spesies; 2. Konsentrasi permukaan (cs) dari penyebaran spesies (atom atau ion) selalu konstan. Ada situasi di mana kondisi ini tidak dapat dipenuhi dan sehingga evolusi profil konsentrasi tidak akan diprediksi oleh solusi fungsi – kesalahan (error function). Jika kondisi batas yang berbeda dari yang kita asumsikan, maka solusi untuk hukum kedua Fick yang digunakan harus berbeda .
Difusi dan Pengolahan Bahan Proses difusi menjadi sangat penting ketika bahan yang digunakan atau diproses pada suhu yang tinggi. Diantara pengolahan bahan pada suhu tinggi adalah : Peleburan dan Penuangan (Casting) Pengerasan (Sintering) Pertumbuhan Butir (Grain Growth) Ikatan Difusi (Diffusion Bonding) • • • •
Peleburan dan Pegecoran (Casting) Salah satu metode yang paling banyak digunakan untuk mengolah logam, paduan, banyak plastik, dan gelas melibatkan mencairkan dan pengecoran bahan menjadi bentuk yang diinginkan. Difusi memainkan peran sangat penting dalam pembekuan logam dan paduan. Misalnya, selama pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor, kita harus memastikan bahwa perbedaan dalam difusi dopan baik bentuk cair dan padat harus diperhatikan. Hal ini juga berlaku untuk difusi unsur selama pengecoran paduan. Difusi juga punya peran penting dalam pengolahan gelas. Dalam gelas anorganik, kita bergantung pada fakta bahwa difusi adalah lambat dan gelas anorganik tidak mengkristal dengan mudah.
Pengerasan (Sintering) Sintering adalah perlakuan suhu tinggi yang menyebabkan partikel untuk bergabung secara bertahap dengan mengurangi volume ruang pori antara mereka. Sintering merupakan langkah yang sering dilakukan dalam pembuatan komponen keramik (misalnya, alumina, barium titanat, dll) serta dalam produksi bagian logam dengan teknik metalurgi serbuk yaitu cara pengolahan dengan memberi tekanan pada serbuk logam sampai menjadi padat. Berbagai bahan komposit seperti alat pemotong berbasis tungsten carbidekobalt, superalloy, dll, diproduksi menggunakan teknik ini. •
Pertumbuhan Butir (Grain Growth) Pertumbuhan butir melibatkan pergerakan batas butir, yang memungkinkan butirbutir yang lebih besar untuk tumbuh dengan mengorbankan butir yang lebih kecil. Untuk pertumbuhan butir dalam bahan, difusi atom di batas butir diperlukan, sehingga pertumbuhan butir berhubungan dengan energi aktivasi yang diperlukan oleh sebuah atom untuk melompat ke seberang perbatasan. Pertumbuhan butir di keramik alumina yang dilihat dari scanning mikroskop elektron (SEM).
struktur mikro dari keramik alumina pada 1350 °C selama 15 jam.
struktur mikro dari keramik alumina pada 1350 °C selama 30 jam.
Ikatan Difusi (Diffusion Bonding) Ikatan Difusi adalah metode yang digunakan untuk menyambungkan bahan pada suhu dan tekanan tinggi. Proses ikatan difusi sering digunakan untuk menggabungkan logam reaktif seperti titanium, untuk menggabungkan logam dan bahan berbeda , dan untuk menggabungkan keramik. Langkah-langkah dalam ikatan difusi : (a) Awalnya bidang kontak kecil (b) Memberi tekanan deformasi permukaan, sehingga meningkatkan luas ikatan (c) Difusi batas butir memungkinkan kekosongan menyusut (d) Penghapusan kekosongan akhir membutuhkan difusi volume.
