ILMU LOGAM PENGENALAN TITANIUM
Tim Penulis: 1. Panatas Wahyu Wahyu W. 2. Satrio Abi L. 3. Suryo Abi P. 4. Very Febrianto 5. Wima Azis K.
(160514610082) (160514610082) (160514610096) (160514610096) (160514610008) (160514610008) (160514610001) (160514610001) (160514610009) (160514610009)
TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI MALANG MEI 2017
ILMU LOGAM PENGENALAN TITANIUM
Tim Penulis: 1. Panatas Wahyu Wahyu W. 2. Satrio Abi L. 3. Suryo Abi P. 4. Very Febrianto 5. Wima Azis K.
(160514610082) (160514610082) (160514610096) (160514610096) (160514610008) (160514610008) (160514610001) (160514610001) (160514610009) (160514610009)
TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI MALANG MEI 2017
KATA PENGANTAR Dengan mengucap puji dan syukur s yukur kehadirat Allah SWT, karena atas ridho dan hidayahNya, sehingga kami dapat menyelesaikan menyelesaikan Tugas Akhir ini. Maksud dan tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk memenuhi tugas mata kuliah ilmu logam. Dalam buku yang kami susun ini kami menjelaskan mengenai mengenai TITANIUM secara s ecara rinci, mulai dari sejarahnya, sumbernya, karakteristik, proses pembuatan titanium, titanium, paduan titanium, titanium, hingga dampaknya dampaknya bagi manusia dan lingkungan. lingkungan. Akhir kata kami berharap buku yang kami susun ini bisa bermanfaat bagi pembaca. Dan apabila ada kesalahan penulisan ataupun kesalahan penjelasan dalam buku ini kami selaku selaku penyusun mohon mohon maaf yang sebesar-besarnya.
Malang, Mei 2017
Penyusun ll ii
BAB I PENDAHULUAN 1.2 Latar Belakang Permasalahan Dalam memahami tentang bahan titanium ini terdapat beberapa aspek permasalahan yang akan dibahas pada buku ini yaitu sebagai berikut : 1. Sejarah dan pengertian serta sumber dari titanium 2. Cara Pembuatan Titanium beserta aplikasinya. 3. Klasifikasi paduan Titanium 4. Dampak dan penanggulangan bahaya yang ditimbulkan oleh titanium bagi manusia dan lingkungan 1.3 Tujuan Makalah tentang bahan Titanium ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui dan memahami sifat-sifat dari Titanium meliputi: sifat fisik, sifat kimia dan sifat mekanik. 2. Mengetahui dan memahami proses pembuatan Titanium 3. Mengetahui aplikasi dari Titanium dalam berbagai aspek. 4. Mengetahui paduan-paduan (alloy) dari Titanium. 5. Mengetahui dampak serta penanggulangan dari bahaya yang ditimbulkan oleh Titanium bagi manusia dan lingkungan
iii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................. i DAFTAR ISI ................................................................ ii BAB I
A. Latar belakang permasalahan .................................. iii B. Tujuan ...................................................................... iii BAB II
A. Sejarah titanium ....................................................... 1 B. Pengertian titanium .................................................. 4 C. Sifat-sifat titanium ................................................... 10 D. Kegunaan titanium ................................................... 15 E. Proses ekstrasi titanium ............................................ 20 F. Proses pembuatan titanium ....................................... 24 G. Titanium dan paduannya.......................................... 32 H. Proses pembentukan titanium .................................. 50 I. Aplikasi titanium ....................................................... 54 J. Bahaya titanium ........................................................ 58 BAB III
DAFTAR PUSTAKA ................................................... 60
iv
A.SEJARAH AWAL TITANIUM Unsur Titanium ditemukan di Inggris oleh Reverend William Gregor pada 1790. Pada 1791, Gregor memprsentasikan deskripsi dan komposisi kimia dari sebuah objek pasir besi hitam, hasilnya menunjukan bahwa objek tersebut secara samar adalah ilmenite (FeTiO3). Ketertarikan akan penemuan tersebut tidak terlalu tinggi sampai pada tahun 1795, saat M.H Klaporth menyadari pendekatan antara hasil dari Gregor dan hasil dari investigasinya sendiri tentang ekstrasi oksida dari rutile (TiO2) dari Hungari. Identitas dari kedua material berhasil ditemukan. Klaporth menghargai jasa dari Gregor dan menamai unsur baru temuannya dengan nama Titanium, diambil dari nama Titan dari mitologi kuno. Percobaan pertama untuk membuat Titanium murni dari unsur yang digunakan diatas menghasilkan nitrid (TiN), karbid (TiC), dan karbon nitrid (TiCN), yang dikarenakan penampangnya seperti serpihan besi, maka sering orang salah mengira bahwa itu adalah besi. Pada 1887, L.F. Nilson dan O.Peterson berhasil menciptakan Titanium murni sebesar 97,4% dengan cara mereduksi Titanium Tethra Chloride dengan sodium pada silinder baja kedap udara.
1
Percobaan lain juga dilakukan oleh H.Moissan, yang mereduksi Titanium Dioksida dengan karbon pada perasan jeruk nipis yang dialiri listrik tegangan tinggi. Hasil dari percobaan tersebut mengandung 5% karbon, namun jika dipanaskan dengan beberapa rutile (TiO2) maka unsur karbon tersebut akan berkurang sebanyak 2%. Pada tahun 1906, akirnya Titanium murni berhasil diciptakan oleh M.A Hunter di Amerika Serikat dengan menggunakan metode yang digunakan oleh L.F Nilson dan O. Peterson, dimana ia mengeluarkan udara dari dalam peralatan. Sehingga, terciptalah Tita nium murni. Di Belanda pada 1925, A.C Van Arkel dan J.H deBoer menciptakan Titanium dengan proses dekomposisi termal untuk menguraikan Titanium Tetra Cloride. Titanium yang dibuat dengan cara ini memiliki biaya yang mahal namun menghasilkan Titanium murni. Kemudian dimulailah produksi masal Titanium oleh W.J Kroll. Dia memproduksi Titanium yang lentur dengan cara mereaksikan Tetra Cloride dengan besi Magnesium pada sistem tertutup dengan menggunakan gas inert (argon). Perusahaan Degussa sedang mengerjakan Titanium kira-kira bersamaan dengan Kroll. Mereka menghasilkan lebih dari 400 kg (880 lb) Titanium dengan pengurangan natrium titanium tetraklorida. Namun, bahan tersebut mengandung 2% unsur Fe. 2
Pada sekitar tahun 1940, Biro Pertambangan Amerika Serikat menjadi tertarik pada karakteristik dan produksi logam titanium. Setelah meninjau semua proses yang diketahui, Biro memilih proses Kroll sebagai yang paling potensial menghasilkan tileium nilon secara elektrik, dan ia mendirikan serangkaian reaktor untuk membuat titanium. Sebuah publikasi Biro pada tahun 1946 menggambarkan sebuah unit Kroll yang mampu membuat 7 kg (15 lb) batch dari bubuk titanium berkualitas baik dengan pengurangan magnesium, diikuti oleh pelindian asam untuk menghilangkan kelebihan magnesium dan MgCl2.
(Gambar 1.1)
3
Pada tahun 1949, Biro melaporkan keberhasilan operasi unit pengurangan magnesium untuk membuat titanium seberat 40 kg (90 lb). Unit ini serupa dengan yang dilaporkan sebelumnya, kecuali untuk ukuran bets. Pada tahun 1952, Biro melaporkan penghapusan magnesium dan magne-sium klorida dari spons titanium dengan penyulingan vakum.
B. Pengertian titanium Titanium diberi nama Titans, yaitu laki-laki yang sangat kuat dalam mitologi yunani. Titanium merupakan peringkat keempat dalam kerak bumi (0,86%) setelah aluminium, besi dan magnesium. Titanium dalam susunan periodik unsur yang memilik struktur kristal HCP dengan densitas 4,54g/cm3. logam ini sangat mudah beraksi dengan oksigen, nitrogen, carbon dan hidrogen. Memiliki kekuatan mekanis yang baik tetapi sulit untuk dilakukan proses ekstraksi. Titanium adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki symbol Ti dan nomor atom 22 yang ditemukan pada tahun 1791 tetapi tidak diproduksi secara komersial hingga tahun 1950-an. Titanium ditemukan di Inggris oleh William Gregor dalam 1791 dan dinamai oleh Martin Heinrich Klaproth untuk Titan dari mitologi Yunani. Titanium merupakan logam transisi yang ringan, kuat, tahan korosi termasuk tahan air laut dan chlorine 4
dengan warna putih-metalik-keperakan. Titanium digunakan dalam alloy (terutama dengan besi dan alumunium) dan senyawa terbanyaknya, titanium dioksida, digunakan dalam pigmen putih. Salah satu karakteristik titanium yang paling terkenal yaitu bersifat sama kuat dengan baja tetapi beratnya hanya 60% dari berat baja. Sifat titanium mirip dengan zirconium secara kimia maupun fisika. Titanium dihargai lebih mahal daripada emas karena sifat-sifat logamnya. Unsur ini terdapat di banyak mineral dengan sumber utama adalah rutile dan ilmenit, yang tersebar luas di seluruh Bumi. Ada dua bentuk alotropi dan lima isotop alami dari unsur ini; Ti-46 sampai Ti-50 dengan Ti-48 yang paling banyak terdapat di alam.
Sumber Titanium Titanium selalu berikatan dengan elemen-elemen lain di alam. Titanium merupakan unsur yang jumlahnya melimpah ke-9 di kerak bumi (0,63% berat massa) dan logam ke-7 paling berlimpah. Titanium selalu ada dalam igneous rock (bebatuan) dan dalam sedimen yang diambil dari bebatuan tersebut. Dari 801 jenis batuan yang dianalisis oleh United States Geological Survey, terdapat 5
784 diantaranya mengandung titanium. Perbandingan Ti di dlam tanah adalah sekitar 0,5 sampai 1,5%. Titanium ditemukan di meteorit dan telah dideteksi di dalam matahari serta pada bintang tipe-M, yaitu jenis bintang dengan suhu terdingin dengan temperatur permukaan sebesar 32000F atau 57900F. Bebatuan yang diambil oleh misi Apollo 17 menunjukkan keberadaan TiO2 sebanyak 12,1%. Titanium juga terdapat dalam mineral rutile (TiO2), ilmenite (FeTiO3),dan sphene, dan terdapat dalam titanate dan bijih besi. Dari mineralmineral ini, hanya Rutile dan ilmenite memiliki kegunaan secara ekonomi, walaupun sulit ditemukan dalam konsentrasi yang tinggi. Keberadaan Titanium dengan bijih berupa ilmenit berada di bagian barat Australia, Kanada, Cina, India, Selandia Baru, Norwegia, dan Ukraina. Rutile dalam jumlah banyak pun juga ditambang di Amerika Utara dan Afrika Selatan dan membantu berkontribusi terhadap produksi tahunan 90.000 ton logam dan 4,3 juta ton titanium dioksida . Jumlah cadangan dari titanium diperkirakan melebihi 600 juta ton. Berikut adalah tabel penjelasan mengenai sifatsifat dari sumber-sumber titanium.
6
Gambar rutile Kategori
Mineral
Rumus Kimia
Titanium dioksida (TiO2)
Warna
Abu-abu,coklat,ungu atau hitam
Bentuk Kristal
Segi Empat
Skala kekerasan Mohs
5,5-6,5
Berat jenis (g/cm3)
4,23-5,5
Kelarutan
Tidak larut dalam asam
Tabel 1.Sifat R utile
7
Gambar ilmenit Rumus kimia
FeTiO 3 FeTiO3
Bentuk kristal
trigonal trigonal
Warna
schwarz, stahlgrau hitam
Skala kekerasan Mohs 5 bis 5 5-5 (g/cm³) Berat Jenis (g / 4,5 bis 5 4,5-5 cm ³)
Tabel 2.Sifat I lmenit
8
Gambar sphene
Warna
hijau, kuning, putih, coklat atau hitam
Bentuk Kristal
Monoklinik
Berat jenis (g/cm3)
3,3 - 3,6
Tabel 3.Sifat Sphene Titanium juga terdapat di debu batubara, dalam tumbuhan dan dalam tubuh manusia. Sampai pada tahun 1946, proses pembuatan logam Ti di laboratorium yang dilakukan oleh Kroll menunjukkan cara memproduksi Titanium secara komersil dengan mereduksi titanium tetraklorida dengan magnesium. Selanjutnya logam titanium dapat dimurnikan dengan cara mendekomposisikan iodanya. 9
C.Sifat-Sifat Titanium Titanium murni merupakan logam putih yang sangat bercahaya. Ia memiliki berat jenis rendah, kekuatan yang bagus, mudah dibentuk dan memiliki resistansi korosi yang baik. Jika logam ini tidak mengandung oksigen, ia bersifat ductile. Titanium merupakan satu-satunya logam yang terbakar dalam nitrogen dan udara. Titanium juga memiliki resistansi terhadap asam sulfur dan asam hidroklorida yang larut, kebanyakan asam organik lainnya, gas klor dan solusi klorida. Titanium murni diketahui dapat menjadi radioaktif setelah dibombardir dengan deuterons. Radiasi yang dihasilkan adalah positrons dan sinar gamma. Ketika sinar gamma ini direaksikan dengan oksigen, dan ketika mencapai suhu 550 ° C (1022 ° F) , sinar tersebut bereaksi dengan klorin. Sinar ini kemudian bereaksi dengan halogen yang lain dan menyerap hidrogen. Logam ini dimorphic. Bentuk alfa heksagonal berubah menjadi bentuk beta kubus secara perlahan-lahan pada suhu 8800C. Logam titanium tidak bereaksi dengan fisiologi tubuh manusia ( physiologically inert ). Titanium oksida murni memiliki indeks refraksi yang tinggi dengan dispersi optik yang lebih tinggi daripada berlian.
10
1.
Sifat Fisik Titanium bersifat paramagnetik (lemah tertarik dengan magnet) dan memiliki konduktivitas listrik dan konduktivitas termal yang cukup rendah.
Sifat Fisik
Keterangan
Fasa
Padat
Massa jenis
4,506 g/cm3 (suhu kamar)
Massa jenis cair
4,11 g/cm3 (pada titik lebur)
Titil lebur
1941 K (16680C,30340F)
Titik didih
3560 K(32870C, 59490F)
Kalor peleburan
14,15 kJ/mol
Kalor penguapan
425 kJ/mol
Kapasitas kalor (250C)
25,060 J/mol.K
Penampilan
Logam perak metalik
Resistivitas listrik (20 °C)
0,420 µΩ·m
Konduktivitas termal (300 K)
21,9 W/(m·K)
Ekspansi termal (25 °C)
8.6 µm/(m·K)
Kecepatan suara (pada wujud kawat) (suhu kamar)
5090 m/s
11
Tabel 4.Sifat-Sifat F isik Titanium Tekanan Uap P (Pa)
1
10
100
1k
T (K)
1982 2171 2403 2692 3064 3558
2.
10k
100k
Sifat Kimia Sifat kimia dari titanium yang paling terkenal adalah ketahanan terhadap korosi yang sangat baik (pada suhu biasa membentuk oksida, TiO 2), hampir sama seperti platinum, resistan terhadap asam, dan larut dalam asam pekat. Diagram Pourbaix menunjukkan bahwa titanium adalah logam yang sangat reaktif, tetapi lambat untuk bereaksi dengan air dan udara. Reaksi dengan Air · Titanium akan bereaksi dengan air membentuk Titanium dioksida dan hydrogen. Ti(s) + 2H2O(g) → TiO2(s) + 2H2(g) · Reaksi dengan Udara Ketika Titanium dibakar di udara akan menghasilkan Titanium dioksida dengan nyala putih yang terang dan ketika dibakar dengan Nitrogen murni akan menghasilkan Titanium Nitrida. Ti(s) + O2(g) → TiO2(s) 2Ti(s) + N2(g) →TiN(s) Reaksi dengan Halogen · Reaksi Titanium dengan Halogen menghasilkan Titanium 12
Halida. Reaksi dengan Fluor berlangsung pada suhu 200°C. Ti(s) + 2F2(s) → TiF4(s) Ti(s) + 2Cl2(g) → TiCl4(s) Ti(s) + 2Br 2(l) → TiBr 4(s) Ti(s) + 2I2(s) → TiI4(s) · Reaksi dengan Asam Logam Titanium tidak bereaksi dengan asam mineral pada temperatur normal tetapi dengan asam hidrofluorik yang panas membentuk kompleks anion (TiF 6)32Ti(s) + 2HF (aq) → 2(TiF6)3-(aq) + 3 H2(g) + 6 H+(aq)
Reaksi dengan Basa · Titanium tidak bereaksi dengan alkali pada temperatur normal, tetapi pada keadaan panas. Titanium terbakar di udara ketika dipanaskan menjadi 1200 ° C (2190 ° F) dan pada oksigen murni ketika dipanaskan sampai 610 ° C (1130 ° F) atau lebih , membentuk titanium dioksida. Sebagai hasilnya, logam tidak dapat dicairkan dalam udara terbuka sebelum titik lelehnya tercapai, jadi mencair hanya mungkin terjadi pada suasana inert atau dalam vakum. 2 ] Titanium juga merupakan salah satu dari sedikit elemen yang terbakar di gas nitrogen murni (Ti terbakar pada 800 ° C atau 1.472 ° F dan membentuk titanium nitrida). Titanium tahan untuk melarutkan asam sulfat dan asam klorida, bersama dengan gas klor, larutan klorida, dan sebagian besar asam-asam organik.
Sifat Kimia
Keterangan 13
Nama, Lambang, Nomor atom
Titanium, Ti,22
Deret Kimia
Logam transisi
Golongan, Periode, Blok
4,4,d
Massa atom
47.867(1) g/mol
Konfigurasi electron
[Ar] 3d2 4s2
Jumlah elektron tiap kulit
2,8,10,2
Struktur Kristal
hexagonal
Bilangan oksidasi
4
Elektronegativitas
1,54 (skala Pauling)
Energi ionisasi
ke-1: 658.8 kJ/mol ke-2: 1309.8 kJ/mol ke-3: 2652.5 kJ/mol
Jari-jari atom
140 pm
Jari-jari atom (terhitung)
176 pm
Jari-jari kovalen
136 pm
Tabel 5.Sifat-Sifat Kimia Titanium 3.
Sifat Mekanik
Sifat Mekanik
Keterangan
Modulus Young
116 Gpa
Modulus Geser
44 Gpa
Modulus Ruah
110 Gpa
Nisbah Poisson
0,32
Skala Kekerasan
6
14
Mohs Kekerasan Vickers
970 Mpa
Kekerasan Brinell
716 Mpa
Nomor CAS
7440-32-6
Tabel 6. Sifat-Sifat Mekanik Titanium
D. Kegunaan Titanium
Gb.1.Penggunaan titanium
Hampir semua titanium digunakan sebagai paduan dengan logam lain. Di antara paduan logam yang 15
paling penting adalah aluminium, vanadium, molibdenum, mangan, besi, timah, kromium dan zirkonium. Salah satu yang paling sering digunakan memiliki komposisi 90% titanium, 6% aluminium, 4% vanadium yang sering direpresentasikan sebagai Ti-6AI4V.
Gb 2. Kipas mesin International Aero Engines V2500 ini dipasang di Maskapai Airbus A320 terbuat dari Titanium (Sempre Volando)
Industri kedirgantaraan adalah pengguna terbesar dari paduan titanium, menggunakan mereka di badan pesawat utama (body) dari pesawat, dan di berbagai bagian mesin, roda pendaratan dan tubing hidrolik (Gambar 2). Karena kekuatan dan ketahanan terhadap serangan kimia mereka, logam dan paduan digunakan di mana bahan lainnya (bahkan stainless steel) dengan cepat bisa memburuk, seperti dalam air laut. Mereka digunakan 16
dalam baling-baling kapal dan pada pabrik desalinasi dan juga di reaktor pabrik kimia dan pipa.
Gambar 3 (National Logam Technology Centre) Lebih dari 1000 ton paduan titanium yang digunakan setiap tahun di dunia untuk membuat implan untuk operasi, termasuk suku cadang untuk pinggul dan penggantian lutut (Gambar 3). Ini adalah sendi pinggul buatan. Cangkir titanium tiruan dengan sekrup titanium ke dalam panggul. Bagian luar dari cawan (sisi tulang) ditunjukkan dan dilapisi dengan hydroxyapaptite. Pada bagian dalam cangkir ada kapal plastik terbuat dari poli (etena) yang membantu mengurangi gesekan. Bola duduk dalam cangkir. Hidroksiapatit adalah bentuk alami dari kalsium fosfat, mirip dengan yang terjadi secara alami tulang. Ini mendorong mengikat antara titanium dan tulang alami yang sangat berdekatan. Titanium yang digunakan adalah paduan, Ti-6Al-4V. Di seluruh dunia ada sekitar 1 juta sendi (lutut ditambah pinggul) diganti setiap tahun. Mereka juga digunakan dalam implan gigi sebagai akar untuk gigi pengganti, dan untuk kasus alat pacu jantung. 17
Museum Guggenheim di Bilbao, Spanyol adalah salah satu bangunan modern yang paling mencolok di dunia yang terbuat dari bahan titanium dirancang oleh Frank Gery dari AS pada tahun 1997
Gb. 4. Museum Guggenheim (Gb.Rod Greenhow). Produksi tahunan titanium Dunia 130 000 ton Eropa 52 000 ton Pembuatan titanium Titanium terdiri 0,63% dari kerak bumi dan logam struktural paling berlimpah keempat, setelah aluminium, besi dan magnesium.
18
Gb.5. Bijih Titanium Deposito titanium yang dapat ditambang secara ekonomis ditemukan di seluruh dunia. Bijih utama adalah rutil (TiO2) dan ilmenit (FeTiO3) dalam deposito pasir pantai (Australia Barat), ilmenit-haema il menit-haematite tite (Kanada), dan ilmenit-magnetit (Ukraina) di deposito hard rock (Gambar 5). Meskipun rutil adalah langka dan lebih mahal daripada ilmenit, itu lebih sering digunakan karena tidak mengandung senyawa besi dan karena itu dapat lebih mudah diproses. Namun, ilmenit kadang-kadang diproses untuk menghilangkan zat besi dan membuat rutil ‘sintetis’.
Titanium digunakan dalam baling-baling kapal Titanium digunakan untuk:
19
Titanium digunakan dalam baling-baling kapal dan bagian lain dari kapal karena jika terkena air laut tidak mudah terkorosi oleh air laut dan. Titanium dan paduan titanium digunakan digunakan dalam pesawat, rudal rudal dan roket di mana kekuatan, berat berat badan rendah rendah dan ketahanan ketahanan terhadap suhu tinggi yang penting. Karena titanium tidak bereaksi dalam tubuh manusia, digunakan untuk membuat pinggul buatan, pin untuk pengaturan pengaturan tulang tulang dan implan biologis lainnya. lainnya. Sayangnya, Sayangnya, tingginya biaya titanium telah membatasi digunakan secara luas. Titanium oksida (TiO 2) digunakan sebagai pigmen untuk membuat membuat cat putih dan dan menyumbang menyumbang penggunaan terbesar dari elemen. Titanium oksida murni relatif jelas dan digunakan untuk membuat titania, sebuah batu permata buatan. Titanium tetraklorida (TiCl 4), senyawa titanium lain, telah digunakan untuk membuat layar asap.
F. Proses Ekstrasi Titanium Dasar dari produk titanium disebut spons s pons titanium sebab bongkahan logam yang diekstraksi dari biji titanium utama (rutile, TiO2) memiliki porosity yang terdapat pada spons. Biji – bija titanium yang lainya seperti Ilmenite, digunakan sebagai penambahan oleh produser spon lainnya. lainnya. The Kroll proses merupakan merupakan salah satu proses yang digunakan untuk mendapatkan titanium 20
yang
berasal
dari
rutile.
Proses
ini
merupakan
sekumpulan operasi yang memerlukan pengawasan yang keras terhadapa kandungan pengotor. Titanium sponge dapat dijadikan pelindung dari udara atmosfer. Spons berikutnya
dibersihkan
dan
dipadatkan
kedalam
elektroda untuk peleburan pada saat pembuatan ingot. Logam titanium diproduksi dari biji sampai akhirnya menjadi ingot, seperti diperlihatkan pada skema dibawah ini ;
1. Chlorination – biji – biji rutile bereaksi dengan gas klorin pada temperatur elevasi menjadi titanium tetrachlorida (TiC4), suatu cairan tanpa warna dan gas
karbon
(CO,CO2),
berdasarkan
reaksi
dibawah ini ;
Reaksi diatas merupakan reaksi eksoterm harus berhatihari dalam mereaksikanya dalam tabung reaksi untuk menghasilkan suatu produk (TiCl 4) yang mendekati murni. Untuk pemurnian TiCl 4 ini dari pengotor
21
Gbr. 14.1 Kroll Proses untuk mengekstraksi Titanium
Magnesium Reduction – TiCl4 dikombinasikan dengan cairan logam magnesium didalam suatu reaktor baja dibawah kontrol atmosfer untuk membentuk logam titanium
yang
ulet.
Magnesium
chlorida
(MgCl 2)
merupakan elektrolit untuk menangkap kembali gas klorin dan logam magnesium, keduanya kemudian akan direcycle kembali, reaksi yang terjadi adalah ; TiCl4 + 2Mg
Ti + 2MgCl2
MgCl2 (dengan elektrolisa)
Mg + Cl2
2. Purification – Titanium spons ditempatkan pada tanki pembilasan dimana asam dan air dilepaskan 22
dari magnesiuum klorida dan sisa magnesium. Metode yang lain untuk melepaskan pengotor dari spons adalah dengan menggunakan destilasi vacum. Produksi spons di USSR/Rusia dan jepang dapat memproduksi spons dengan kualitas yang baik. Kebanyakan spons di import dari USSR/Rusi
3. Melting – Spons titanium dapat dipadatkan sebagai unsur pokok dalam membuat elektroda untuk
memproduksi
ingot,
atau
jika
alloy
diinginkan untuk dicampur dengan unsur lain sebelum dipadatkan membentuk elektroda untuk operasi peleburan. Pencairan dengan busur listrik merubah elektroda kedalam suatu ingot, yang mana ketika dilakukan
peleburan
kembali
menjadi
ingot
dalam
bentuk
terakhir/yang diinginkan. Metode lain yang dipergunakan untuk membentuk primary ingot, dengan mencairkan spons, penambahan alloy, atau scrap, dalam suatu leburan dari logam yang dihasilkan dengan busur listrik, cara ini dipergunakan oleh beberapa produsen. Metode 23
yang lain juga adalah meleburkan logam yang dilakukan didalam
dapur
vacum
untuk
menghilangkan
uap
pengotor seperti hidrogen dan MgCl 2 sisa.
Gbr.14.2. Vacuum Arc Revining (VAR)
G. Proses Pembuatan Titanium Walaupun titanium melimpah di alam, namun untuk mendapatkan unsur ini membutuhkan proses yang panjang dan dengan biaya yang mahal. Beberapa metode yang digunakan dalam proses pembuatan titanium yaitu dengan menggunakan proses Kroll, Proses Van Arkel dan De Boer, dan Proses J. Meggy dan M.Prieto. Proses TP Armstrong, Proses FFC Cambridge 1. The Kroll Proses
Kebanyakan titanium diproduksi dari bijih yang mengandung titanium dioksida menggunakan proses empat tahap yang panjang: a) klorinasi bijih menjadi titanium (IV) klorida 24
b) pemurnian titanium (IV) klorida c) reduksi titanium (IV) klorida menjadi titanium spons d) pengolahan titanium spons (a) Klorinasi bijih untuk titanium (IV) klorida Titanium dioksida adalah stabil dengan pengaruh suhu dan sangat tahan terhadap serangan kimia. Tidak dapat direduksi dengan menggunakan karbon, karbon monoksida atau hidrogen, dan reduksi oleh logam lebih elektropositif tidak lengkap. Jika oksida diubah menjadi titanium (IV) klorida, maka pembuatan titanium menjadi meugkin, karena klorida yang lebih mudah direduksi. Bijih kering dimasukkan ke chlorinator bersama dengan kokas dibentuk bedfluida. Setelah bedtelah dipanaskan, panas reaksi dengan klorin cukup untuk mempertahankan suhu di 1300 K (b) Pemurnian titanium (IV) klorida Titanium (IV) klorida mentah dimurnikan dengan distilasi, setelah perlakuan kimia dengan hidrogen sulfida atau minyak mineral untuk menghilangkan vanadium oksiklorida, VOCl3, yang mendidih pada suhu yang sama seperti titanium (IV) klorida. Produk akhir mempunyai kemurnian (> 99,9%) titanium (IV) klorida yang dapat digunakan baik untuk membuat titanium atau dioksidasi untuk memberikan titanium dioksida untuk pigmen. Tangki penyimpanan harus benar-benar kering skarena produk mengalami hidrolisis cepat dengan adanya air, menghasilkan asap putih padat hidrogen klorida:
25
c) Reduksi titanium (IV) klorida menjadi titanium spons Titanium (IV) klorida adalah cairan yang mudah menguap. Dipanaskan untuk menghasilkan uap yang akan dilewatkan ke dalam reaktor stainless steel mengandung magnesium cair (berlebih), dipanaskan sampai sekitar 800 K dalam suasana argon. Reaksi eksotermik akan menghasilkan titanium (III) dan titanium (II) klorida yang menyebabkan kenaikan suhu yang cepat ke sekitar 1100 K. klorida ini menjalani pengurangan perlahan, sehingga suhu dinaikkan ke 1300 K untuk menyelesaikan proses reduksi. Meski begitu, itu adalah proses yang panjang:
Setelah 36-50 jam reaktor dihilangkan dari tungku dan dibiarkan dingin selama setidaknya empat hari. Magnesium yang tidak bereaksi dan campuran klorida / titanium diperoleh, kemudian dihancurkan dan dicuci dengan asam klorida encer untuk menghilangkan magnesium klorida. Dalam metode alternatif yang digunakan di Jepang, magnesium klorida, bersama-sama dengan magnesium yang tidak bereaksi akan dihilangkan dari titanium dengan destilasi vakum suhu tinggi. Magnesium klorida dielektrolisa untuk menghasilkan magnesium untuk tahap reduksi dan klorin didaur ulang untuk tahap bijih klorinasi. Titanium yang dimurnikan dengan distilasi vakum suhu tinggi. Logam titaniumnya adalah yang dalam bentuk granul berpori yang disebut spons. Ini yang dapat diproses dipabrik, atau dijual ke perusahaan lain untuk konversi ke produk titanium.
26
Gambar 6. Ringkasan konversi bijih titanium menjadi produk yang berguna. (d) Pengolahan titanium spons Titanium spons mudah bereaksi dengan nitrogen dan oksigen pada suhu tinggi, spons harus diproses dalam vakum atau suasana inert seperti argon. Pada tahap ini scrap titanium dapat dimasukkan, dan logam lainnya dapat ditambahkan jika paduan titanium diperlukan. Sebuah metode yang umum adalah untuk memampatkan bahan bersama-sama untuk membuat blok besar yang kemudian menjadi elektroda dalam wadah mencair busur listrik. Sebuah bentuk busur antara wadah dan elektroda, menyebabkan elektroda mencair ke dalam wadah di mana didinginkan dan membentuk ingot besar. Ini dapat diulang untuk menghasilkan “lelehan kedua” ingot kualitas yang lebih tinggi. 27
2. Proses TP Armstrong Titanium dan paduannya dapat diproduksi dari titanium (IV) klorida menggunakan natrium bukan magnesium. Meskipun kimia ini tidak baru, Proses continues lebih sering digunakan daripada proses batch yang kini telah dikembangkan, secara signifikan mengurangi biaya
Gambar 7. Proses kontinyu untuk pengurangan titanium (IV) klorida. Uap Titanium (IV) klorida dimasukan ke dalam aliran natrium cair, dan klorida direduksi menjadi logam. Titanium dan natrium klorida terbentuk sebagai padatan, dan diekstrak dari aliran natrium dengan menyaring. Setelah menghilangkan sisa natrium, logam titanium dapat dipisahkan dari garam dengan pencucian sederhana. Natrium klorida dikeringkan, dipanaskan sampai cair dan dielektrolisis, menghasilkan natrium 28
untuk digunakan kembali dan klorin untuk tahap klorinasi awal. Jika adonan titanium (IV) klorida dicampur secara menyeluruh dengan proporsi yang benar dengan logam klorida lainnya sebelum dimasukkan ke dalam aliran cairan natrium, hasilnya adalah sangat paduan bubuk titanium dengan kualitas yang sangat tinggi, merupakan salah satu keuntungan utama dari proses ini. Misalnya, Ti-6Al-4V diproduksi yang melibatkan aluminium klorida dan vanadium (IV) klorida dalam perbandingan yang tepat.
3. Proses FFC Cambridge Penelitian di Cambridge (Inggris) telah menghasilkan pengembangan metode elektrolisis untuk mereduksi titanium dioksida langsung ke titanium. Titanium dioksida (biasanya rutil) adalah bubuk dan kemudian dibuat menjadi pelet untuk bertindak sebagai katoda. Mereka ditempatkan di dalam bak cair kalsium klorida dan terhubung ke sebuah batang logam yang bertindak sebagai konduktor. Sel dilengkapi dengan anoda karbon. Pada menerapkan tegangan, titanium oksida direduksi menjadi titanium dan ion oksida tertarik ke anoda karbon, yang dioksidasi menjadi karbon monoksida dan karbon dioksida (Gambar 8).
29
Gambar 8. Reduksi elektrolit dari titanium (IV) oksida. Jika tegangan yang lebih tinggi diterapkan dengan mekanisme yang berbeda. Kalsium akan mengumpul pada katoda dan bereaksi dengan titanium dioksida untuk membentuk titanium dan ion kalsium ion diperbarui. Proses ini jauh lebih sederhana daripada metode yang ada, yang beroperasi pada suhu yang lebih rendah (hemat biaya energi), dan memiliki dampak lingkungan yang lebih rendah. Ini memiliki potensi untuk mengurangi biaya produksi secara signifikan, sehingga memungkinkan akan memberi keuntungan dari logam titanium untuk diterapkan pada produk akhir yang lebih luas.
4.
Dengan
Proses Van Arkel dan De Boer
menggunakan
proses Van
Arkel dan De
Boer , pembuatan logam Titanium dari biji Titanium seperti Rutile,
Anatase dan Ilminite dapat 30
dilakukan
dengan cara reduksi dengan aluminium yang selanjutnya akan di iodinasi dari produk yang diperoleh dari proses reduksi. Hasil iodinasi ini direaksikan dengan Potassium Iodida pada suhu 100 – 200 °C. Kemudian Titanium Tertraiodida dipisahkan dari Potassium Iodida sehingga akan membentuk logam titanium melalui dekomposisi panas atau reduksi pada suhu 1.300 – 1.500 °C. Proses ini menggunakan titanium iodida dengan kemurnian yang tinggi, tetapi harganya mahal sehingga membuat titanium melalui metose ini sangat kurang ekonomis (Hard dkk, 1983).
5.
Dengan
Proses J. Meggy dan M.Prieto
menggunakan
proses J.
Meggy dan M.Priet , pembuatan logam Titanium
dari
bijih Ilminite dapat dilakukan dengan cara Flourinasi. Bijih Ilminite diflourinasi
dengan
garam
flousilikat
seperti K 2SiF6, Na2SiF6 pada suhu 350 – 950 °C selama 6 jam. Selanjutnya besi dan Ti dikonversikan ke flourida dengan cara dileaching dari bijih flourinasi dengan larutan encer seperti HF, HCl dan H 2SO4 pada suhu 60 – 95 °C selama 2jam. Setelah proses leaching, larutan 31
dapat dievaporasi dan didinginkan untuk mengendapkan floutitanat. Endapan floutitanat dapat ini kemudian disaring dan dikeringkan pada suhu 110 – 150 °C. Kemudian mereduksinya menjadi logam Ti. Metode ini merupakan pengontakan floutitanat dengan campuran zinc – aluminium pada suhu 400 – 1.000°C. Sehingga aluminium flourida akan terpisahkan sebagai produk samping dalam bentuk cryolite. Campuran lelehan logam zinc – titanium dipisahkan dengan cara destilasi pada suhu 800 – 1.000°C sehingga diperoleh zinc pada produk destilat dan titanium sponge pada produk akhir (Hard dkk, 1983).
H. Titanium dan paduannya Titanium mempunyai titik cair yang tinggi yaitu 1668oC dengan titik tranformasi pada 882 oC dari α T (hcp) menjadi β (bcc), α pada temperatur rendah. Berat jenis material ini 4,54 kira-kira 60% dari baja. Titianim mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik, hampir serupa dengan ketahanan korosi baja tahan karat. Titanium sendiri merupakan suatu logam aktif, tetapi titanium membentuk lapisan pelindung yang halus pada 32
permukaannya, mencegah berlanjutnya korosi ke dalam. Kalau hydrogen yang terbentuk dari uap air di udara diabsorb oleh titanium. Selanjutnya O dan N, juga diabsorb oleh titanium, yang menyebabkan titanium menjadi keras. Oleh karena itu titanium menjadi getas kalau dipanaskan pada atau diatas temperatur 700 oC, selalu harus berhati-hati kalau memanaskan titanium di udara.
1. Perlakuan panas paduan titanium
Dilihat dari struktur mikronya paduan titanium terbagi atas fasa α, fasa α +β dan fasa β. Kepada fasa β tidak dapat diadakan perlakuan panas sedangkan pada fasa α dan fasa α +β dapat dilakukan perlakuan panas.
Paduan fasa α terutama mengandung Al dan Sn yang berguana setelah pelunakan atau penganilan dan penghilangan tegangan.
Paduan titanium dapat membentu martensit dan fasa α’ dengan pendinginan cepat dari fasa β, tetapi tidak begitu keras, yang memberikan sedikit pengaruh terhadap 33
sifat-sifat mekanis. Pada paduan fasa α +β kalau fasa β lebih
banyak,
yang
didinginkan
pada
air
setelah
dipanaskan sampai fasa α +β maka α +β merupakan struktur yang berbentuk bulat. Fasa β yang terbentuk merupakan
fasa
yang
metastabil,
tidak
langsung
teruraimenjadi α +β terapi melalui suatu fasa antara yaitu ω, yang memiliki sif at keras dan getas, dalam hal ini presipitasi harus dihindari. Biasanya dipanaskan lebi tinggi dari temperatur presipitasi ω yang kemudian terurai menjadi fasa α +β yang halus. Kalau fasa α lebih banyak
perlu
dicelup
dingin
dari
fasa
β
untuk
mendapatkan α’ +β yang kemudian harus dipanaskan kembali untuk mendapatkan fasa β menjadi struktur α +β yang halus, paduan fasa β dapat berubah menjadi martensit karena pencelupan dingin, dan fasa β yang tersisa dipanaskan ke temperatur yang lebih tinggi dari temperatur presipitasi fasa ω untuk membuat presipitasi fasa α yang halus.
34
2. Near -α alloys
Suatu Near α alloys telah dikembangkan dengan temperatur elevasi yang sangat
baik
(T<590oC).
penambahan
Niobium
untuk
meningkatkan ketananan oksidasi dan carbon dibolehkan lebih tinggi pada daerah temperatur yang melewati alloy α+β,
cara
yang
digunakan
merupakan
proses
thermomechanical. Alloy ini khususnya digunkan untuk pembuatan mesin pesawat dan mengantikan komponen yang dibuat dari Nickel super alloy. Mikrostruktur dari alloy terdiri dari butir primary-α, plate α dipisahkan oleh fasa β.
Alloy ini umumnya memiliki sifat – sifat diantaranya adalah ; kekuatan yang sedang dan keuletan yang baik (~15%), ketangguhan yang baik dan kekuatan mulur pada temperature tinggi, mampu las, ketahan yang baik pada lingkungan air garam.
Gbr. 14.3 diagram fasa biner Ti-8%Al dengan penambahan Mo,V dan struktur fasa Duplex annealed Ti-8Al-1Mo1V berturut-turut 35
Tabel 14.1 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium near α alloy
3. Paduan titanium fasa α
Paduan Ti-5%Al-2,5%Sn adalah paduan fasa α yang khas mempunyai keuletan cukup dan mampu las yang baik. Sampai kira-kira 500 oC mempunyai kekuatan melar
yang
tinggi.
Paduan-paduan
yang
terutama
mempunyai larutan padat interstisi rendah dari atom C,N,O,dsb, adalah baik dipakai sebagai komponen mesin, penggunaan khususnya seperti kriogenik, kekuatan tinggi 36
dan keuletan dapat bertahan hingga 253 oC. Aluminium merupakan elemen alloy utama selain Zr and Sn.
Paduan
Ti-8%Al-1%Mo-1%V
telah
dikembangkan untuk penggunaan temperatur tinggi, yang dapat bertahan secara baik pada temperatur tinggi baik kekuatanya maupun kekuatan melarnya, dalam hal ini padua ini merupakan paduan terbaik diantara paduan fasa α dan fasa α + β oleh karena itu dengan proses penganilan dua tahap, keuletan pada temperatur rendah dapat diperbaiki.
Gbr. 14.4 diagram fasa α stabil pada Ti Alloy dan struktur mikro Ti-5%Al, 2.5%Sn dalam bentuk lembaran berturut-turut
Keberadaan sedikit jumlah dari fasa β ductile di dek at α alloy dapat menguntungkan untuk heat treatmen 37
dan kemampuan untuk ditempa. Alloy kemungkinan mengandung beberapa elemen sebagai contoh ;
Ti – 6Al – 2Sn – 4Zr – 2Mo
Dimana Zr dan Sn memberikan solid solution strengthening .
Tabel 14.2 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium α alloy
Ti-5Al-2.5Sn wt% merupakan α alloy yang banyak diketemukan dipasaran dalam berbagai bentuk, hal ini disebabkan alloy ini stabil pada kondisi α, alloy ini tidak dapat di heat treatment. Oleh sebab ini alloy ini tidak begitu kuat, tetapi mudah dilas. Ketangguhan pada temperatur
cryogenic
meningkat
ketika
oxygen, carbon and nitrogen diturunkan.
38
kandungan
Gbr. 14.5 Hubungan antara temperatur dan tegangan, dan ketangguhan Ti Alloy(sumber; National Institute for Materials Science, Japan)
Gambar
diatas
diambil
dari
Ti-5Al-2.5S,
yang
mengalami tempa pada 1473 K (maximum), ditahan pada 1073 K selama 2 jam dan selanjutnya didinginkan dengan pendinginan udara. 4. Paduan titanium α +β
Kebanyakan dari α+β alloy memiliki kekuatan yang tinggi dan mampu bentuk yang baik. Dan mengandung 4-6% fasa β yang stabil dan secara substansial jumlah fasa β tetap dipertahankan pada saat pencelupan dari fasa β→ α+β Paduan Ti-6%Al-4%V merupakan paduan tipikal dari jenis fasa α +β yang banyak dipergunakan. Yang memiliki kekuatan pada temperatur tinggi, tetapi dibawah 150oC keuletannya akan menurun. Alloy ini jumlah hampir setengah dari produksi titanium alloy, alloy ini 39
banyak
dipakai
karena
kekuatannya
(1100
MPa)
ketahanan mulur 300 oC , ketahanan fatiq dan mudah dicor. Selain alloy yang telah disebutkan paduan Ti4%Al-3%Mo-1%V juga merupakan paduan yang banyak dipergunakan.
Gbr. 14.6 Diagram fasa Ti-6Al-V dan struktur mikro Ti-6%Al-4%V daerah fasa α +β yang dianil(butir α warna putih dan fasa β warna gelap)
40
Tabel 14.3 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium α +β alloy
5.Paduan titanium fasa β
Paduan Ti-13%V-11%Cr-3%Al merupakan salah satu dari paduan dengan fasa β. Kekuatan yang tinggi dengan perbandingan batas mulurnya bertahan sampai kira-kira 400oC. Dilihat dari kekuatanya spesifiknya, paduan ini lebih baik pada daerah dengan temperatur tersebut dibandingkan dengan baja 4340 (Ni-Cr-Mo), baja tahan karan dan aluminium.
Seperti telah dikemukan diatas titanium memiliki kekuatan yang lebih baik dan ketahanan korosinya juga baik, tetapi harga material ini relatif mahal. Paduan
41
titianium terutama hannya dipergunakan untuk pesawat terbang.
Tabel 14.4 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium β alloy
6. Titanium Aluminida
Kebanyakan aluminida dari Titanium memiliki struktur lamellar yang tersusun dari layer-layer dari suatu hexagonal Ti 3Al α2 compound dan tetragonal TiAl atau γ Keuletan tarik kira-kira 4-6% pada temperature ambient. γ-aluminide cenderung untuk menjadi lebih ulet. Berat jenis kira-kira 4.5 g/ cm3 dan aluminium menyebabkan aluminida lebih tahan terhadap pembakaran. Alloy ini telah dipelajari secara khusus untuk komponen pesawat dan automotive turbocharger disebabkan alloy ini memiliki kekuatan yang tinggi, densitas yang rendah, dan 42
ketahanan mulur. Fasa γ berbentuk bidang close packed yang pararel terhadap bidang basal dari α 2:
Gbr.14.7 Tetragonal TiAl, γ 7. Titanium Nitrida
Paduan dengan dasar titanium banyak digunakan untuk peralatan medis karena memiiiki ketahanan korosi yang tinggi dan bio c ompatible. P aduan titanium banyak digunakan karena titanium mumi merupakan material lunak dengan ketahanan geser permukaan rendah, yang 43
disebabkan karena terbentuknya oksida secara alami di permukaan titanium (Subramanian et.al, 2011). Paduan titanium nitrida banyak digunakan karena keunggulan sifat yang dimiliki yaitu sifat mekanik dan kimia yang baik, seperti nilai kekerasan yang tinggi, ketahanan korosi dan ketahanan aus yang tinggi. Titaniurh nitrida banyak digunakan sebagai bahan pelapis material untuk meningkatkan sifat pada permukaan logam (subramanian et.al, 20ll). penggunaan titanium nitrida sebagai bahan pelapis selain bertujuan untuk mendapatkan perbaikan sifat pada permukaan logam, juga dapat digunakan sebagai pelapis dekoratif (Bavadi et.al, 2012). Karakteristik titanium nitrida pada temperatur 20" C dapat dilihat pada T abel 2.
44
a.1. DC Reactive Sputtering Proses deposisi lapisan tipis menggunakan teknik Physical Yapour Deposition (PVD) telah banyak digunakan di seklor industri. Proses ini digunakan pada industri logam, industri pembuatan alat medis, industri optik, dan industri pembuatan komponen elektrik. Lapisan tipis yang dihasilkan dari teknik PVD mampu menjawab beberapa kebutuhan dari masingmasing aplikasi, seperti kekerasan yang tinggi, sampai dengan gesekan yang rendah (Constantin et.al, 2011). Salah satu teknik P\ID yaitu teknik sputtering. Prinsip pelapisan mengunakan teknik sputtering disajikan pada Gambar l.
Teknik sputtering memanfaatkan tumbukan ion berenergi tingg (Ar) pada permukaan logam target. Atom-atom target yang terlempar akan menempel pada permukaan substrat (logam yang akan dilapis), sehingga akan didapatkan lapisan tipis pada permukaannya (Constantin et.al, 2Al D. Teknik reactive sputtering merupakan teknik sputtering yang 45
menggunakan pelapis dalam bentuk gas. penelitian ini akan menggunakan gas nitrogen yang akan bereaksi dengan titanium, sehingga akan didapatkan lapisan tipis titanium nitrida. Proses reactive sputtering ditunjukkan pada Gambar 2.
a.2. METODE PENELITIAN Proses pelapisan titanium nitrida dilakukan dengan kuat arus 80 mA, tegangan rata-rata 0,4 kV, jarak antara substrat dan bahan target yaitl 12 mm, tekanan 4 x 10" torr dan perbandingan gas Argon : Nitrogen :17 :3. Proses pelapisan diawali mengatur tekanan kerja didalam mesin sputtering. Setelah tekanan tercapai, mesin sprrttering dihidupkan dan kemudian mengkondisikan sesuai dengan variabel kerja mesin sputtering. Proses pelapisan dilakukan dengan variasi waktu proses pelapisan (30 menit, 40 menit, 50 menit, 60 menit, dan70 menit). 1. PelaksanaanPenelitian Persiapan Spesimen Uji Spesimen uji dalam penelitian ini memiliki ukuran diameter 14 mm dan tebal 2 mm. Persiapan spesimen uji dilakukan untuk 46
mendapatkan permukaan yang halus. proses untuk mendapatkan permukaan yang halus yaitu dengan mengampelas permukaan spesimen dan kemudian dilakukan pemolesan menggunakan autosol. Proses akhir yaitu pencucian menggunakan alkohol untuk menghilangkan kotoran dan minyak yang ada pada permukaan spesimen.. 2. Proses Pelapisan Spesimen yang telah melalui tahap persiapan kemudian dilapisi titanium nitrida dengan variasi lama waktu pelapisan. Proses pelapisan menggunakan DC Reactive Sputtering. 3. Pengujian Spesimen Spesimen yang telah dilapisi titanium nitrida, kemudian diuji pada permukaannya. Pengujian yang dilakukan yaitu uji metalografi. Uji metalografi yang dilakukan yaitu uji EDX. Uji EDX dilakukan untuk mengetahui komposisi hasil lapisan setelah dilakukan proses sputtering. preparasi spesimen uji EDX dengan melakukan pemotongan melintang spesimen dan dihaluskan dengan amplas. Pengamplasan dilakukan dari nomor amplas 400, 800, 1000 dan 1500 mesh, setelah itu dilakukan pemolesan spesimen dengan autosol dan pencucian dengan alkohor. Sampel yang telah mengkilat sudah siap untuk dilakukan uji EDX.
a.3. PEMBAHASAN 1. Nilai Kekerasan Baja tahan karat AISI 410 yangtelah dilapisi titanium nitrida tt6 memiliki peningkatan nilai kekerasan dibandingkan dengan tanpa perlakuan" Peningkatan nilai kekerasan baja tahan karat AISI 410 yang dilapisi 47
titanium nitrida selama 30, 40,50, 60 dan 70 menit secara berturut-turut yaitu 22,080 , 2i,38ya, 34,07oA, 26,050/o, dan 23,2404. Peningkatan nilai kekerasan tertinggi didapat dengan waktu deposisi selama 50 menit, dengan kenaikan nilai kekerasan sebesar 34,07oA. Kenaikan nilai kekerasan baja AISI 410 yang telah dilapis karena lapisan tipis titanium nitrida memiliki nilai kekerasan yang lebih besar dibandingkan dengan baja AISI 410. penurunan nilai kekerasan setelah mencapai titik maksimum karena adanya perubahan struktur lapisan yang terbentuk setelah proses pelapisan melebihi waktu 50 menit, yang ditandai dengan adanya perubahan warna pada permukaan lapisan.
2. Ketebalan Lapisan dan Pengujian EDX Pengamatan posisi melintang dari baja tahan karat AISI 410 setelah dilapisi titanium nitrida selama 50 menit disajikan pada
48
Proses deposisi titanium nitrida selama 50 menit akan menghasilkan tebal lapisan antara 20 - 25 pm. Lama waktu sputtering mempengaruhi ketebalan lapisan titanium nitrida, dimana ketebalan lapisan titanium nitrida akan semakin tinggi dengan semakin lamanya proses sputtering, dikarenakan atom target yang terdeposisi semakin banyak. Hasil uji EDX pada baja tahan karat AISI 410 setelah dilapisi titanium nitrida selama 50 menit disajikan pada Gambar 5.
Gambar diatas menunjukkan bahwa terdapat peningkatan unsur titanium pada permukaan lapisan hasil deposisi TiN. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan 49
mengandung unsur titanium yang semakin tinggi. Peningkatan kandungan titanium akan berpengaruh terhadap peningkatan nilai kekerasan jika dibandingkan dengan materiai dasar (baja tahan karat AISI410 tanpa perlakuan)
I.
Proses Pembentukan Titanium
Kebanyakan titanium diproduksi secara mekanis oleh beberapa proses dibawah ini 1. Forging
Titanium alloy memiliki lebih tinggi aliran tegangan daripada Al alloy atau baja oleh sebab itu disaratkan untuk menerapkan tekanan tempa yang lebih tinggi kapasitasnya. Pada proses ini permukaan yang dihasilkan akan sangat ditentukan oleh kepresisian dari cetakan forging tersebut. Pada pengerjaan awal dilakukan pada temperature 150oC diatas temperature beta untuk kira-kira 28-38% regangan, tergantung pada type alloy dan heat treatmen yang telah dilakukan sebelumnya. Yang berikut proses deformasi dapat dilakukan pada daerah α +β.
50
2. Sheet and ring rolling
Lembaran titanium alloy biasanya dirol untuk menghindari oksidasi pada permukaan. Setelah dilakukan hot rolling, lembaran akan di ekstrak, diratakan untuk proses finising.Titanium alloy sebagai ring rolled untuk menghasilkan cylinder besar yang digunakan pada casing atau bejana bertekanan.
Gbr.14.8 Hot rolled Ti baja plat digunakan dalam kondensor di pembangkit tenaga dan ring titanium 3. Machining
Titanium dan titanium alloy relative sulit untuk dilakukan proses pemesinan terutama β Ti alloy jika dibandingkan dengan baja dan aluminium allloy untuk semua
metode
konvensional
pemotongan dan pelobangan,dsb.
51
seperti
pembubutan,
Titanium memiliki konduktivitas termal yang rendah pengurangan terhadap penghilangan panas pada permukaan benda kerja, hal ini akan menurunkan umur pakai dari perkakas, pengelasan atau tidak memuaskan pada permukaan permukaan benda kerja perkakas.
Perkakas untuk macining sangat perlu untuk diperhatikan terutama perkakas dari karbida maupun keramik. Untuk menghindari kehilangan permukaan yang diinginkan selama terjadinya kerusakan pada perkakas, kerusakan ini secara terus menerus akan menurunkan sifat mekanis khususnya fatiq.
Gbr.14.9 proses machining dan hasil machining dari titanium alloy berturut-turut
52
4. Poweder metalurgi
Komponen yang dibuat dengan cara powder metalurgi dibuat dengan dua cara yaitu pengepresan dan penyinteran, sehingga menghasilkan produk yang siap pakai/produk jadi. Proses pembuatan serbuk titanium cukuplah sulit terutama akibat terjadinya reaksi antara titanium dengan oksigen sehingga proses pembuatan serbuknya
tergolong cukup mahal.
Urutan
proses
meliputi ; atomisasi, penekanan penyinteran
dan dengan
syarat tidak terjadi kontaminasi
dengan
udara atmosfer.
Gbr. 14.10 Serbuk titanium (SEM) 53
J. Aplikasi Titanium 1.
Bidang kedokteran a. Karena bersifat non-feromagnetik , saat ini titanium umum digunakan untuk medis, misalnya untuk mengganti tulang yang hancur atau patah. Sudah terbukti bahwa bahan titanium kuat dan tidak berubah ataupun berkarat di dalam tubuh manusia. Didalam tubuh manusia terdapat begitu banyak zat yang sesungguhnya dapat membuat bahan metal apapun menjadi berkarat dan tidak dapat bertahan lama, tetapi tidak demikian halnya dengan bahan titanium, yang sekali lagi memang sudah terbukti bisa bertahan dalam tubuh manusia walaupun bertahun tahun digunakan. Selain itu, Titanium digunakan sebagai bahan pengganti sendi dan struktur penahan katup jantung. b. Digunakan dalam implant gigi (dengan jangka waktu lebih dari 30 tahun), karena kemampuannya yang luar biasa untuk berpadu dengan tulang hidup ( osseointegrate ). c. Digunakan untuk terapi kesehatan Tahap awal dalam membuat gelang magnetik ini adalah membentuk bahan dasar mentah titanium menjadi bagian bagian dari gelang magnetic. Proses ini cukup sulit, baik dari proses pembetukan sampai kepada pemotongan bagian demi bagian, hal itulah yang menyebabkan tidak banyak pabrik yang memproduksi berbahan titanium ( khususnya gelang magnetik). 54
Setelah pembentukan dan pemotongan selesai , selanjutnya masuk ke tahap adjust magnetic powder ke dalam bulatan bulatan yang sudah disediakan, magnetic yang digunakan adalah magnet negatif dalam bentuk powder yang dimana kekuatan magnet berkisar 30003500 gouss. Selanjutnya masuk ke dalam tahap akhir pembuatan gelang magnetic. Proses ini tidak bisa dilakukan oleh mesin. Oleh sebab itu proses ini dilakukan dengan tenaga manusia (hand made) dirangkai satu demi satu ( piece by piece ) Karena proses yang begitu rumit dan panjang membuat bahan titanium menjadi salah satu bahan terbaik dan menjadi salah satu perhiasan yang dikombinasikan dengan therapy kesehatan yang cukup bernilai. Laboratorium teknologi & industri Nigata Jepang bahkan melakukan penelitian yang menunjukkan bahwa titanium dapat meningkatkan sirkulasi darah bagi pemakainya. d. Karena ini bio-kompatibel (tidak beracun dan tidak ditolak oleh tubuh), titanium digunakan dalam aplikasi medis termasuk alat-alat operasi. 2.
Bidang industri a. Kira-kira 95% hasil Titanium digunakan dalam bentuk Titanium dioksida (TiO2),sejenis pigmen putih terang yang kekal dengan kuasa liputan yang baik untuk cat, kertas, obat gigi, dan plastik. b. Digunakan pada industri kimia dan petrokimia sebagai bahan unutk alat penukarpanas (heat exchanger)dan bejana bertekanan tinggi serta pipa-pipa tahan korosi memakai bahan titanium. 55
c. Industri pulp dan kertas menggunakan titanium dalam peralatan proses yang terkena media yang korosif seperti sodium hipoklorit atau gas klor basah). Aplikasi lain termasuk pengelasan ultrasonic dan gelombang solder. 3. Aplikasi lain · Alloy Titanium digunakan dalam pesawat, plat perisai, kapal angkatan laut, peluru berpandu. Dapat juga digunakan dalam perkakas dapur dan bingkai kaca (yang nilai ekonomisnya tinggi). · Titanium yang dialloykan bersama Vanadium digunakan dalam kulit luaran pesawat terbang, peralatan pendaratan, dan saluran hidrolik. · Karena daya tahannya yang baik terhadap air laut, Titanium digunakan sebagai pemanas-pendingin akuarium air asin dan pisau juru selam. · Di Rusia, Titanium menjadi bahan utama dalm pembuatan kapal angkatan perang termasuk kapal selam seperti kelas Alfa, Mike dan juga Typhoon karena kekuatannya terhadap air laut. · Bahan utama batu permata buatan manusia yang secara relatif agak lembut. · Titanium tetraklorida (TiCl4), cairan tidak berwarna yang digunakan untuk melapisi kaca. · Titanium dioksida (TiO2) digunakan dalam pelindung matahari karena ketahanannya terhadap ultra ungu. · Karena kelengaiannya dan menghasilkan warna yang menarik menjadikan logam ini populer untuk menindik badan. 56
· Titanium bias dianodkan untuk menghasilkan beraneka warna. · (Militer). Karena kekuatannya, unsur ini digunakan untuk membuat peralatan perang (tank) dan untuk membuat pesawat ruang angkasa. (Mesin). Material pengganti untuk batang piston. · Titanium nitrida (TiN), mempunyai kekerasan setara dengan safir dan carborundum (9,0 pada Skala Mohs) , sering digunakan untuk melapisi alat potong seperti bor. TiN juga dimanfaatkan sebagai penghalang logam dalam fabrikasi semikonduktor. · Titanium tetraklorida (titanium (IV) klorida, TiCl4, kadang-kadang disebut “Tickle”) adalah cairan tak berwarna yang digunakan sebagai perantara dalam pembuatan titanium dioksida untuk cat. Hal ini secara luas digunakan dalam kimia organik sebagai Lewis asam, misalnya di Adisi aldol kondensasi. Titanium juga membentuk klorida yang lebih rendah, titanium (III) klorida (TiCl 3), yang digunakan sebagai agen pereduksi. · Titanium digunakan untuk Sharpless epoxidation. Senyawa lain termasuk titanium bromida (digunakan dalam metalurgi, superalloy, dan suhu tinggi dan pelapisan kabel listrik) dan titanium karbida (ditemukan dalam suhu tinggi alat pemotong dan coating). · Natrium Titranat Dapat digunakan untuk pesawat televise, radar, mikrofon dan fonograf. · Titanium Tetraklorida Dapat digunakan untuk mordan (pengikat) pada pewarnaan. 57
·
Titanium Oksida Dapat digunakan untuk pembuatan batang las, email porselen, karet, kertas dan tekstil. · Titania Dapat digunakan untuk perhiasan (batu titania)
K . Bahaya Titanium Bagi Kesehatan dan Lingkungan 1. Bagi Kesehatan · Implan berbasis titanium menimbilkan korosi dan menghasilkan puing-puing logam sehingga berpotensi menyebabkan kerusakan hati dan ginjal. · Titanium tetraklorida berpotensi menyebabkan iritasi kulit dan gangguan pada paru-paru jika terhirup · Karsinogen (titanium dioksida) · Menyebabkan batuk dan nyeri apabila terhirup (titanium karbida) 2. Bagi Lingkungan · Titanium diketahui tidak berbahaya bagi lingkungan Penanggulangan Dampak Titanium Bagi Kesehatan
· Bersentuhan dengan kulit. Basahi kulit secara menyeluruh dengan air. Dapatkan bantuan medis bila iritasi berkembang atau berlanjut. 58
· Bersentuhan dengan mata. Segera bilas mata dengan air. Lepaskan lensa kontak, dan teruskan membilas dengan air mengalir selama setidaknya 15 menit. Tahan kelopak mata untuk memastikan seluruh bagianmata dan kelopak mata terbilas dengan air. Segera minta bantuan medis. · Tertelan. Bilas mulut secara sempurna. Jangan dimuntahkan tanpa petunjuk pusat pengendali racun. Jangan sekali-kali memberikan apa pun lewat mulut kepada orang yang tidak sadar. Bila bahan tertelan dalam jumlah besar, segera hubungi pusat pengendali racun.
59
DAFTAR PUSTAKA
Bavadi, R., and Valedbagi, S., 2012, Physical Properties Of Titanium Nitride Thin Film Prepared By Dc Magnetron Sputtering, Materials Physics and Mechqnics, page 167 -172. Constantin, D.G., Apreutesei, M., Awinte, R., Marin, A., Andrei, O.C., and Munteanu, D., 2011, Magnetron Sputtering Technique Used For Coatings Deposition; Technologies And Applications, 7th International Conference on Materials Science and Engineering, Romania. Intemational stainless Steel Forum, The stainless steel Family, Belgium. Kirschbrown, J ., 2007, kF/D C Magnetron Sputtering. Pierson, H.o., 1996, Handbook of Refractory carbides and Nitrldes, Noyes publications, USA. Salahudin, x.,2011, Pengaruh variasi waktu pelapisan TiN Hasil Deposisi DC Reactive Magnetron Sputtering Terhadap Kekerasan, Laju Korosi, Keausan Abrasi Dan Kekasaran Baja Tahan Karat Martensitik AISI410, Tesis,yogyakarta. Seshan, K.,2002, Handbook of Thin-film Deposition processes and Te chnique s, Noyes Publications, California. 60
