p Tugas Artikel Ilmiah

27
ARTIKEL ILMIAH DIAGRAM FASA, LOGAM DAN KERAMIK (Di Susun untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Meterial) Oleh: Lingga Adistya Mukti (309322417572) Kelas/off : M-G UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

Transcript of p Tugas Artikel Ilmiah

Page 1: p Tugas Artikel Ilmiah

ARTIKEL ILMIAH

DIAGRAM FASA, LOGAM DAN KERAMIK

(Di Susun untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Meterial)

Oleh:

Lingga Adistya Mukti (309322417572)

Kelas/off : M-G

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

JURUSAN FISIKA

Desember 2011

Page 2: p Tugas Artikel Ilmiah

1. DIAGRAM FASA

Diagram fasa Al-Si

Gambar di atas, memperlihatkan diagram fasa dari sistem Al-Si. Tampak fasa yang ada untuk semua paduan Al-Si pada rentang suhu 300˚C-1500˚C, gambar sebelah kiri, dan pada rentang 400˚C-1400˚C gambar sebelah kanan untuk berbagai macam variasi komposisi.

Pada diagram fase di atas, α (struktur kristal fcc) dan β (struktur kristal bcc) digunakan untuk menunjukkan dua fasa yang berbeda masing-masing digunakan untuk menunjukkan fasa Al dan Si. Dari diagram fasa di atas kita dapat menganalisa, bahwa suatu paduan senyawa yang terdiri dari kira-kira 98% Al dan 2%Si dipanaskan secara perlahan dari suhu ruang hingga 1500˚C. Maka fasa yang terjadi selama proses pemanasan berlangsung adalah:

Suhu ruang hingga 550˚C α + β550˚C hingga 600˚C α600˚C hingga 660˚C α + liquid660˚C hingga 1500˚C cairan

Kristal tunggal terbentuk hanya pada fase liquid. Jadi dari analisa di atas, dapat disimpulkan bahwa kristal tunggal terbentuk dengan mengkombinasikan Al dan Si masing-masing sebesar 98% dan 2%, kemudian dipanaskan pada rentang suhu kira-kira antara suhu kamar sampai 700˚C, hingga terbentuk fasa liquid. Setelah itu, untuk memisahkan komponen kristal tunggal (kemungkinan terbesar, didapatkan kristal tunggal Al dengan perbandingan 98:2) dapat dilakukuan proses sintesis.

Polikristal merupakan material yang memiliki banyak kristal dengan batas butir (grain boundary) yang menyertainya serta memiliki orientasi yang acak. Dari analisa diagram fase di atas, dapat diketahui bahwa untuk membentuk polikristal dari campuran Al dan Si, dapat diperoleh melalui paduan komposisi Al dan Si masing-masing 98% dan 2% dengan suhu sintering pada rentang

Page 3: p Tugas Artikel Ilmiah

kira-kira pemanasan dari suhu ruang sampai suhu 550˚C. Sehingga pada kondisi ini akan didapatkan akan dua fase secara bersamaan yaitu fase α dan β.

Polikristal terorientasi adalah polikristal yang memiliki spin (domain) searah. Hal ini dapat diperoleh, dengan memberikan magnetic field pada material polikristal. Hingga pada akhirnya akan didapatkan polikristal yanng memiliki spin (domain searah). Arah spin pada material polikristal dapat dilihat melalui AFM (Atomic Force Microscope). Polikristal terorientasi, dapat kita temukan pada fasa (α+L) atau (β+L), jadi jika kita mengkombinasikan komponen Al:Si 98%:2% maka dapat kita sintering dari rentang suhu antara suhu kamar sampai kira-kira pada suhu 660˚C.

Diagram fase Fe-Fe3C

Diagram fasa Fe-Fe3C menampilkan hubungan antara temperatur dan kandungan karbon (%C) selama pemanasan lambat. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasi-informasi penting yaitu antara lain:

1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperatur yang berbeda dengan kondisi pendinginan lambat.

2. Temperatur pembekuan dan daerah-daerah pembekuan paduan Fe-C bila dilakukan pendinginan lambat.

3. Temperatur cair dari masing-masing paduan.4. Batas-batas kelarutan atau batas kesetimbangan dari unsur karbon pada

fasa tertentu.5. Reaksi-reaksi metalurgis yang terjadi, yaitu reaksi eutektik, peritektik dan

eutektoid.

Page 4: p Tugas Artikel Ilmiah

Beberapa istilah dalam diagram kesetimbangan Fe-Fe3C dan fasa-fasa yang terdapat didalamnya akan dijelaskan dibawah ini. Berikut adalah batas-batas temperatur kritis pada diagram Fe-Fe3C: A1, adalah temperatur reaksi eutektoid yaitu perubahan fasa γ menjadi α+Fe3C

(perlit) untuk baja hypo eutektoid. A2, adalah titik Currie (pada temperatur 769OC), dimana sifat magnetik besi

berubah dari feromagnetik menjadi paramagnetik. A3, adalah temperatur transformasi dari fasa γ menjadi α (ferit) yang ditandai

pula dengan naiknya batas kelarutan karbon seiring dengan turunnya temperatur.

Acm, adalah temperatur transformasi dari fasa γ menjadi Fe3C (sementit) yang ditandai pula dengan penurunan batas kelarutan karbon seiring dengan turunnya temperatur.

A13, adalah temperatur transformasi γ menjadi α+Fe3C (perlit) untuk baja hiper etektoid.

Fasa-fasa yang terjadi dalam diagram kesetimbangan Fe-C selama pemanasan yang lambat: Ferit (α), yaitu paduan Fe dan C dengan kelarutan C maksimum 0,025% pada

temperatur 723OC, struktur kristalnya BCC (Body Centered Cubic). Austenit (γ), adalah paduan Fe dan C dengan kelarutan C maksimum 2% pada

temperatur 1148OC, struktur kristalnya FCC (Face Centered Cubic). Delta (δ), adalah paduan Fe dan C dengan kelarutan C maksimum 0,1% pada

temperatur 1493OC, struktur kristal BCC (Body Centered Cubic). Senyawa Fe3C atau biasa disebut sementit dengan kandungan C maksimum

6,67%, bersifat keras dan getas dan memiliki struktur kristal Orthorombic. Liquid atau fasa cair, adalah daerah paling luas dimana kelarutan C sebagai

paduan utama dalam Fe tidak terbatas pada temperatur yang bervariasi.

Adapun reaksi-reaksi metalurgis yang biasa terjadi berdasarkan pada diagram Fe-Fe3C yaitu : Reaksi peritektik, terjadi pada temperatur 1495OC dimana logam cair (liquid)

dengan kandungan 0,53%C bergabung dengan delta (δ) kandungan 0,09%C bertransformasi menjadi austenit (γ) dengan kandungan 0,17%C. Delta (δ) adalah fasa padat pada temperatur tinggi dan kurang berarti untuk proses perlakuan panas yang berlangsung pada temperatur yang lebih rendah.

Liquid (C=0,53%) + Delta (δ)(C=0,09%) ----- Austenit (γ)(C=0,17%). Reaksi eutektik, reaksi ini terjadi pada temperatur 1148OC, dalam hal ini

logam cair dengan kandungan 4,3%C membentuk austenit (γ) dengan 2%C dan senyawa semenit (Fe3C) yang mengandung 6,67%C.

Liquid (C=4,3%)------Austenit (γ)(C=2,11%) + Fe3C(C=6,67%)

Page 5: p Tugas Artikel Ilmiah

Reaksi eutectoid, reaksi ini berlangsung pada temperature 723OC, austenit (γ) padat dengan kandungan 0,8 %C menghasilkan ferit (α) dengan kandungan 0,025%C dan semenit (Fe3C) yang mengandung 6,67%C.

Austenit (γ)(C=0,8%)-----ferit (α) (C=0,025%) + Fe3C(C=6,67%). Reaksi ini merupakan reaksi fasa padat yang mempunyai peran cukup penting

pada proses perlakuan panas baja karbon.

2. KOMPOSISI AWAL DAN KOMPOSISI AKHIR DARI SENYAWA YANG DI SINTERING

Al-SiKomposisi awal : Al(s) + Si(s) α dan βSuhu sintering : dari suhu ruang hingga 400˚C untuk semua variasi (persentase) komponenKomposisi akhir : Seluruh (100%) paduan berbentuk cairanSuhu sintering : mulai terbentuk cairan pada suhu 577˚C dengan komposisi 87,4% Al 12,6% Si. Dan mulai terbentuk cairan seluruhnya pada suhu 1410˚C untuk semua variasi komposisi.

Fe-Fe3CKomposisi awal : Fe(s) + Fe3C(s) α dan βKomposisi awal pada diagram fase di atas jterdapat du fasa yang terdiri dari α dan karbida (β). α adalah besi murni dengan struktur bcc dan karbidanya adalah karbida besi, Fe3C. Komposisi akhir : Seluruh (100%) paduan berbentuk cairan.

3. REAKSI KONGRUEN, INKONGRUEN, EUTEKTIK, DAN PERITEKTIK

a. Reaksi Kongruenb. Reaksi Inkongruenc. Reaksi Eutektik

Reaksi eutektik adalah reaksi pada komposisi tertentu (paduan eutektik) yang akan mengalami perubahan fasa dari larutan cairan tunggal (satu fasa homogen) menjadi dua fasa padat jka didinginkan melewati suhu eutektiknya. Jika kita perhatikan pada diagram fasa Al-Si akan terlihat adanya reaksi eutektik dimana,

Cairan (12,6% Al 87,4% Si) α (1,65% Al) + β (99,83% Si)

Paduan 12,6% Al 87,4% Si disebut paduan (komposisi) eutektik. Suhu eutektiknya adalah 577˚C. Suhu dan komposisi eutektik terletak di titik

didinginkan

577˚C

Page 6: p Tugas Artikel Ilmiah

potong dua kurva kelarutan yang merupakan limit komposisi cairan. Selain itu, limit kelarutan maksimum untuk α dan β pada diagram fasa di atas terletak pada suhu eutektiknya.

Pamanasan dapat membalikkan reaksi ini. Secara umum reaksi eutektik adalah sebagai berikut:

L2 S1 + S2

d. Reaksi PeritektikReaksi peritektik merupakan kebalikan dari reaksi eutektik. Dimana

pada reaksi peritektik dari dua fasa yang berbeda pada komposisi peritektik, apabila didinginkan melewati suhu peritektik, dari kedua fasa tersebut akan menjadi suatu fasa tunggal. Reaksi peritektik dapat dijelaskan melalui diagram fasa Fe-Fe3C. Ketika didinginkan akan terjadi reaksi:

1495˚C

δ (0,1% C) + L (0,5% C) γ (0,2% C) didinginkan

bentuk generik reaksi peritektik adalah: pendinginan

S1 + L3 S2

pemanasan

4. CACAT KRISTAL (CACAT PADA ZAT PADAT)

Terdapat beberapa jenis cacat Kristal pada susunan atom dalam Kristal. Kita perlu ketahui bahwa kehadiran cacat Kristal yang sedikit memiliki pengaruh yang sangat besar dalam menentukan sifat suatu bahan dan pengaturan cacat sangat penting dalam pemrosesan bahan. Contoh relevansi cacat Kristal dalam kehidupan pada umumnya dan dalam bahan pada khususnya yaitu, ketika kita membeli cincin berlian, sebenarnya kita membayar banyak dan tipe cacat pada Kristal pada cincin berlian tersebut. Pembuatan device semikonduktor tidak hanya membutuhkan Silikon murni tetapi juga meliputi cacat Kristal tertentu pada sample. Menempa suatu logam akan menghasilkan cacat pada logam tersebut dan meningkatkan kekuatan dan kelenturan logam. Catatan, sifat-sifat tersebut dicapai tanpa mengubah komposisi penyusun bahan tetapi hanya manipulasi cacat Kristal.

Jenis-Jenis Cacat Kristal

Berikut ini akan dijelaskan masing-masing cacat pada bahan padat.

1. Cacat Titik

Didinginkan

Dipanaskan

Page 7: p Tugas Artikel Ilmiah

Cacat titik terdiri dari kekosongan, interstisial dan subtitutional, cacat Schottky dan cacat Frenkel

a. Kekosongan

Di alam ini tidak terdapat Kristal yang sempurna dengan susunan atom yang teratur. Selalu terdapat cacat dalam suatu Kristal, dan yang paling sering dijumpai adalah cacat titik. Hal ini terutama ketika temperature Kristal cukup tinggi dimana atom-atom bergetar dengan frekuensi tertentu dan secara acak dapat meninggalkan kisi, lokasi kisi yang ditinggalkan disebut vacancy atau kekosongan. Dalam kebanyakan kasus difusi atau transportasi massa oleh gerak atom juga dapat disebabkan oleh kekosongan.

b. Interstitial dan Subtitutional

Interstitial yaitu Penekanan atau penumpukan antara tempat kisi teratur. Jika atom interstitial adalah atom yang sejenis dengan atom-atom pada kisi maka disebut self interstitial. Terciptanya self-interstitial menyebabkan distorsi besar disekeliling kisi dan membutuhkan energy lebih dibandingkan dengan energy yang dibutuhkan untuk membuat vacancy atau kekosongan (Ei>Ev), dan dibawah kondisi kesetimbangan, self-interstitial hadir dengan konsentrasi lebih rendah dari kekosongan. Jika atom-atom interstitial adalah atom asing, biasanya lebih kecil ukurannya (karbon, nitrogen, hydrogen, oksigen) disebut interstitial impurities. Mereka memperkenalkan distorsi kecil pada kisi dan banyak terdapat pada material nyata. Subtitutional yaitu Penggantian atom pada matriks Kristal. Jika atom asing mengganti atau mensubtitusi matriks atom, maka disebut subtitusional impurity

Page 8: p Tugas Artikel Ilmiah

Gambar disamping menunjukan skema representasi macam-macam cacat titik dalam Kristal (1) kekosongan, (2) self-interstitial, (3) Interstitial impurity, (4) (5) subtitutional impurities. Tanda panah menunjukan tekanan local yang dihasilkan oleh cacat titik.

c.  Cacat Schottky dan Cacat Frenkel

Dalam Kristal ionic (misalnya garam dapur- Na+Cl-), ikatannya disebabkan oleh gaya Coulomb antara ion positif dan ion negatif. Cacat titik dalam Kristal ion adalah muatan itu sendiri. Gaya Coulomb sangat besar dan setiap muatan yang tidak seimbang memiliki kecenderungan yang kuat untuk menyeimbangkan diri. Untuk membuat muatan netral, beberapa cacat titik akan terbentuk. Cacat Frenkel adalah kekosongan pasangan ion dan cation interstitial. Atau kekosongan pasangan ion dan anion interstitial. Namun ukuran anion jauh lebih besar dari pada kation maka sangat sulit untuk membentuk anion interstitial. Cacat Schottky adalah kekosongan pasangan kation dan anion. Keduanya cacat Frenkel dan Schottky, pasangan cacat titik tetap berdekatan satu sama lain karena tarikan coulomb yang kuat antara muatan yang berlawanan.

Gambar disamping merupakan skema representasi dari (1) cacat Frenkel (kekosongan dan pasangan interstitial) dan cacat schottky (kekosongan pasangan kation dan anion) dalam Kristal ionic

2. Cacat Linear

Mengapa logam dapat terdeformasi plastis dan mengapa sifat deformasi plastis dapat diubah sangat besar dengan ditempa tanpa mengubah komposisi kimia adalah sebuah misteri pada ribuan tahun yang lalu. Hal ini menjadi misteri

Page 9: p Tugas Artikel Ilmiah

yang sangat besar ketika awal tahun 1900an para ilmuan memperkirakan bahwa logam mengalami deformasi plastis jika diberi gaya yang lebih kecil dari gaya yang mengikat atom-atom logam bersama, .

Kejelasan muncul pada tahun 1934 ketika Taylor, Orowan dan Polyani menemukan dislokasi. Dislokasi garis dapat dikenal dan dipikiran sebagai bidang kisi tambahan dimasukan kedalam Kristal, tetapi tidak diperpanjang ke seluruh Kristal tapi berakhir di dislokasi garis.

Gambar tiga dimensi penyisipan setengah bidang tambahan melalui pusat gambar.

Dislokasi adalah cacat garis. Ikatan interatomik secara signifkan terdistorsi hanya dalam daerah sekitar dislokasi garis yang cepat. Dislokasi juga membentuk deformasi elastic kecil kisi pada jarak yang jauh. Untuk menggambarkan ukuran dan arah distorsi kisi utama disebabkan oleh dislokasi, kita seharusnya memperkenalkan vector Burger b. Untuk menentukan vector burger , kita dapat membuat lintasan dari atom ke atom dan menghitung  masing-masing jarak antar atom dalam segala arah. Jika lintasan melingkupi dislokasi, lintasan tidak akan ditutup. Vektor yang menutup loop merupakan vector  Burger b.

Dislokasi dengan arah vector Burger tegak lurus dengan dislokasi disebut dislokasi tepi atau dislokasi edge. Ada tipe dislokasi kedua  yang disebut screw dislocation. Screw dislocation sejajar dengan arah Kristal yang dipindahkan atau yang digeser (vector Burger sejajar dengan dislokasi garis). Hampir seluruh dislokasi yang ditemukan pada Kristal bahan tidak terdiri daru edge dislocation saja atau screw dislocation saja tetapi terdiri dari campuran keduanya atau disebut mix dislocation.

edge dislocation                        screw dislocation

Page 10: p Tugas Artikel Ilmiah

Gerak dislokasi mengikuti slip-deformasi plastis ketika ikatan interatomik patah dan terbentuk kembali. Sebenarnya, slip selalu terjadi melalui gerak dislokasi

Lihatlah pada diagram diatas, kita akan mengerti mengapa dislokasi mengijinkan slip pada tekanan yang kecil yang diberikan pada Kristal yang sempurna. Jika setengah bagian atas Kristal di geser dan pada saat itu hanya fraksi kecil dari ikatan yang patah dan hal ini membutuhkan gaya yang cukup kecil. Pada proses pergeseran ini dislokasi terbentuk dan menyebar melalui Kristal. Penyebaran satu dislokasi melalui bidang menyebabkan setengah bidang atas tersebut bergerak terhadap bagian bawahnya tetapi kita tidak memecah semua ikatan pada tengah bidang secara simultan (dimana akan membutuhkan gaya yang sangat besar). Gerak dislokasi dapat dianalogikan dengan perpindahan ulat bulu. Ulat bulu harus mengadakan gaya yang besar untuk memindahkan seluruh tubuhnya pada waktu yang sama. Untuk itu bagian belakang tubuh akan bergerak ke depan sedikit dan membentuk punggung bukit. Punggung bukit lalu menyebar terus dan memindahkan ulat bulu. Cara yang sama digunakan untuk memindahkan karpet yang besar. Daripada memindahkan seluruhnya pada waktu yang bersamaan, kita dapat membuat punggung bukit pada karpet dan mendorongnya menyebarangi lantai.

3. Cacat interfacial

Kristal tunggal terkadang dapat ditemukan dalam material nyata yang tidak sedikit kondisi pertumbuhannya secara khusus di desain dan di atur sebagai contoh ketika memproduksi Kristal tunggal silicon untuk device mikroelektronik atau bilah untuk turbin yang terbuat dari super alloy. Zat padat pada umumnya terdiri dari beberapa Kristal-kristal kecil atau grain. Grain dapat berukuran dari ordo nanometer hingga millimeter dan orientasi bidang atom diputar terhadap grain tetangganya. Material ini disebut polikristal. Grain-grain tunggal dipisahkan oleh batas grain atau grain Boundaries, yaitu daerah yang berdensitas kecil dan twin boundaries.

a. Permukaan eksternal

Salah satu batas yang selalu ada adalah permukaan luar atau permukaan eksternal, dimana permukaan ada disetiap ujung Kristal. Di permukaan, atom tidak memiliki jumlah tetangga maksimum sehingga jumlah ikatanya lebih kecil dan memiliki keadaan energy yang lebih besar dari atom atom yang berada dibagian dalam. Ikatan atom pada permukaan

Page 11: p Tugas Artikel Ilmiah

Kristal yang tidak terikat memberikan energy permukaan yang diekspresikan dalam satuan energy persatuan luas permukaan (J/m2 atau org/cm2). Untuk mengurangi energy tersebut, suatu bahan cenderung untuk memperkecil permukaannya. Namun untuk zat padat hal ini sulit karena memiliki sifat yang kaku.

b. Grain Boundaries

Jenis lain dari cacat interfacial adalah grain boundaries yaitu batas yang memisahkan dua grain kecil atau Kristal yang memiliki struktur Kristal yang berbeda dalam bahan polikristalin. Didalam daerah batas, dimana terdapat jarak cukup lebar diantara atom, terdapat beberapa atom yang hilang dalam transisi dari orientasi Kristal dalam satu grain ke grain yang berdekatan.

Bermacam-macam ketidak sejajaran kristalografi diantara grain yang berdekatan merupakan hal yang mungkin. Ketika orientasi yang tidak cocok ini diabaikan atau derajatnya kecil maka bentuk sudut kecil grain boundaries digunakan.Batas ini dapat digambarkan dalam bentuk susunan dislokasi. Salah satu contoh sederhana dari sudut kecil grain boundaries dibentuk ketika dislokasi tepi disejajarkan  seperti pada  gambar 1. Jenis ini disebut tilt boundaries atau batas kemiringan. Jika sudut kecil dibentuk dari susunan dislokasi screw maka disebut twist boundaries.

Atom-atom disekitar batas diikat dengan jumlah kurang dari yang diperlukan dan konsekuensinya terdapat energy grain boundary yang serupa dengan energy permukaan eksternal. Besarnya energy ini merupakan fungsi dari derajat misorientasi dan menjadi besar jika sudut batasnya besar. Grain boundaries sifat kimianya lebih reaktif dari grain-grain itu sendiri sebagai akibat dari kehadiran energy tersebut. Lebih jauh lagi atom-atom yang tidak murni terpisahkan secara khusus karena tingkat energinya yang lebih besar. Energi interfacial total material bergrain kasar lebih kecil daripada material bergrain halus karena pada grain kasar memiliki area batas grain total yang kecil. Jumlah grain meningkat dengan meningkatnya suhu untuk mengurangi energy total batas.

Page 12: p Tugas Artikel Ilmiah

Kita dapat membedakan antara sudut batas grain kecil dan sudut batas grain besar. Hal ini mungkin untuk menjelaskan sudut batas kecil grain sebagai kesatuan dislokasi. Gambar disamping merupakan transmisi mikroskop electron dari kemiringan sudut batas grain kecil silicon. Garis merah menandakan dislokasi tepi atau edge dislocation dab garis biru mengindikasikan kemiringan sudut. Jenis lain dari cacat permukaan dalam kisi adalah stacking fault dimana rentetan bidang atom memiliki kesalahan.

Walaupun susunan atom tidak teratur dan ikatan yang seharusnya sangat kurang, material polikristalin sangat kuat. Gaya kohesif didalam dan sepanjang batas terbentuk. Lebih jauh, densitas  polikristalin sebenarnya serupa dengan Kristal tunggal pada bahan yang sama

5. KARAKTERISTIK STRUKTUR DAN SIFAT LOGAM

Logam merupakan jenis material yang sangat meluas penggunaannya. Memiliki sifat daya hantar panas dan listrik yang baik, tidak transparan terhadap cahaya tampak, disamping memiliki ketangguhan (tough) serta sifat bahan yang “ulet” (ductile) sehingga dapat dibentuk melalui proses penempaan. Umumnya, mesti tidak selalu, logam relatif berat dan mampu dibentuk.

Apa yang menyebabkan karakteristik logam seperti di atas? Jawaban yang paling sederhana adalah bahwa logam memiliki perilaku ini karena fakta bahwa elektron valensinya tidak terikat, namun dapat meninggalkan atom “induknya”. (sebaliknya pada polimer dan keramik elektron valensinya bebas bergerakseperti itu). Karena dalam logam beberapa elektronnya bebas bergarak, mereka dapat dengan mudah mentransfer muatan listrik dan energi termal. Sifat tidak tembus cahaya serta kemampuan pemantulan (reflectivity) pada logam disebabmkan oleh respon dari elektron bebas tersebut terhadap getaran elektromagnetik pada frekuensi cahaya. Sifat-sifat ini merupakan hasil lain dari kebebasan parsial beberapa elektron dari atom induknya. Ikatan logam yang terbentuk antara atom-atom logam memberikan kontribusi terhadap karakter logam yang

Page 13: p Tugas Artikel Ilmiah

memiliki daya hantar panas, listrik yang baik juga memberikan sifat yang ulet pada logam .

Manfaat logam sangat besar sekali dalam kehidupan kita. Logam sangat umum digunakan dalam bidang konstruksi, industri, peralatan rumah tangga, peralatan dalam bidang kesehatan, permesinan, sebagai bahan konduktor, manufaktur otomotif atau penerbangan dan masih banyak lagi. Kelihatannya penggunaan logam sudah sangat menyatu dalam kehidupan masyarakat manusia. Bidang ilmu yang mempelajari bidang pengolahan logam dan keterkaitannya adalah bidang metalurgi. Kekurangan logam salah satunya adalah dapat mengalami proses korosi atau mengalami karat. Logam akibat pengaruh lingkungan, temperature, tekanan ataupun pH dapat mengalami degradasi membentuk ion-ion logam/ oksida-oksida logam yang biasa kita sebut sebagai “karat”.

6. KARAKTERISTIK STRUKTUR DAN SIFAT KERAMIKKeramik adalah senyawa yang mengandung unsur logam dan

nonlogam. Banyak sekali contoh material keramik, mulai dari semen pada beton, gelas, isolator listrik, dan magnet permanen.

Masing-masing jenis material ini, relatif keras dan rapuh. Memang kekerasan dan kerapuhan merupakan atribut umum dalam keramik, demikian juga ketahanannya yang lebih tinggi terhadap suhu tinggi dan pengaruh ekstrim lingkungan dibandingkan dengan logam dan polimer. Dasar untuk karakteristik ktersebut juga berkaitan dengan perilaku elektronik dari atom-atom pembentuknya. Konsisten dengan kecenderungan ilmiahnya, unsur logam melepas elektron kulit terluarnya dan memberikan elektron tersebut pada atom nonlogam, yang menangkapnya. Akibatnya elektron tersebut tidak dapat bergerak, sehingga material keramin merupakan tipikal isolator listrik maupun isolator thermal yang baik.

Sama pentingnya, ion logam psitif (atom yang kehilangan elektron) dan ion nonlogan negatif (atom yang mendapat elektron) memiliki gaya tarik menarik yang kuat. Setiap kation (positif) dikelilingi oleh anion (negatif). Diperlukan energi yang cukup besar (jadi dengan gaya yang cukup besar juga) untuk memisahkan keduanya. Oleh karena itu tidak mengherankan bahwa material keramik cenderung bersifat keras (ketahanan mekanis), tahan api (ketahanan thermal), dan inert (ketahanan kimia).

Keramik memiliki daya tahan terhadap temperatur yang tinggi, sehingga sangat umum digunakan sebagai bahan-bahan refractory. Aplikasi material keramik misalkan jika anda melakukan praktikum kimia gravymetri pasti akan menggunakan cawan yang dibuat dari keramik (cruz).

Page 14: p Tugas Artikel Ilmiah

Pesawat ulang alik luar angkasa seperti Challenger, Columbia (kedua-duanya sudah meledak akibat kecelakaan) didesain dengan lapisan luar pesawat diselubungi keramik berbentuk blok-blok untuk melindungi terhadap saat pergesekan dengan atmosfir. Bahan-bahan superkonduktor untuk menghasilkan medan magnet yang tinggi menggunakan material-material keramik golongan oksida Ytrium (Y)  dan Tembaga (Cu). Contoh bahan keramik adalah Alumina (Al2O3), Silika (SiO2), Karbon Nitrida (CN).

7. TEKNIK PEMROSESAN LOGAM DAN MANFAATNYA

Tujuan utama Proses Manufacturing adalah untuk membuat komponen dengan mempergunakan material tertentu yang memenuhi persyaratan bentuk dan ukuran, serta struktur yang mampu melayani kondisi lingkungan tertentu. Melihat faktor-faktor diatas, maka faktor membuat suatu bentuk tertentu merupakan faktor utama. Ada beberapa metoda atau membuat geometri (bentuk dan ukuran) dari suatu bahan yang dikelompokan menjadi enam kelompok dasar proses pembuatan (manufacturing proces) yaitu : proses pengecoran ( casting), proses pemesinan (machining), proses pembentukan logam (metal forming), proses pengelasan (welding), perlakuan panas (heat treatment), dan proses perlakuan untuk mengubah sifat karakteristik logam pada bagian permukaan logam (surface treatment).

1. Proses pengecoran (casting)Suatu teknik pembuatan produk dimana logam dicairkan dalam tungku peleburan kemudian dituangkan kedalam rongga cetakan yang serupa dengan bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat.

Contoh manfaat : proses ini biasanya digunakan dalam pembuatan peralatan rumah tangga

2. Proses pemesinan (machining)Proses pemotongan logam disebut sebagai proses pemesinan adalah proses pembuatan dengan cara membuang material yang tidak diinginkan pada benda kerja sehingga diperoleh produk akhir dengan bentuk, ukuran, dan surface finish yang diinginkan.

Page 15: p Tugas Artikel Ilmiah

Contoh manfaat : pembuatan sekrup, dan mesin-mesin otomotif

3. Proses pembentukan logam (metal forming)Proses metal forming adalah melakukan perubahan bentuk pada benda kerja dengan cara memberikan gaya luar sehingga terjadi deformasi plastis.

Contoh manfaat : pembuatan pisau, keris, pedang dll

4. Proses pengelasan (welding)Proses penyambungan dua bagian logam dengan jalan pencairan sebagian dari daerah yang akan disambung. Adanya pencairan dan pembekuan didaerah tersebut akan menyebabkan terjadinya ikatan sambungan.

Contoh manfaat : pembuatan pagar rumah, tralis dll

5. Proses perlakuan panas (heat treatment)Heat treatment adalah proses untuk meningkatkan kekuatan material dengan cara perlakuan panas.

Manfaat : proses pembuatan gamelan, dan peralkatan musik yang terbuat dari logam

6. Surface treatmentProses surface treatment adalah proses perlakuan yang diterapkan untuk mengubah sifat karakteristik logam pada bagian permukaan logam dengan cara proses thermokimia, metal spraying.

Contoh manfaat : pelapisan bagian luar besi dengan pelapis (cat, zat kimia pelapis logam) yang bertujuan untuk melapisi bagian luar logam dari pengaruh lingkunngan (korosi, karat, suhu dll). Pelapisan ini biasanya digunakan pada pagar rumah, peralatan rumah tangga, pelapis body pesawat terbang, mobil, motor dll.

8. TEKNIK PEMROSESAN KERAMIK DAN MANFAATNYA

Pada dasarnya terdapat dua macam ,proses pembuatan keramik, proses pembuatan tradisional dan proses industri, berikut akan diuraikan secara ringkas tentang kedua proses tersebut.

Proses Pembuatan Keramik Tradisional :

Page 16: p Tugas Artikel Ilmiah

Ada beberapa tahapan proses yang harus dilakukan untuk membuat suatu produk keramik, yaitu:

1.      Pengolahan bahanTujuan pengolahan bahan ini adalah untuk mengolah bahan baku dari

berbagai material yang belum siap pakai menjadi badan keramik plastis yang telah siap pakai. Pengolahan bahan dapat dilakukan dengan metode basah maupun kering, dengan cara manual ataupun masinal. Didalam pengolahan bahan ini ada proses-proses tertentu yang harus dilakukan antara lain pengurangan ukuran butir, penyaringan, pencampuran, pengadukan (mixing), dan pengurangan kadar air.

2.      PembentukanTahap pembentukan adalah tahap mengubah bongkahan badan tanah

liat plastis menjadi benda-benda yang dikehendaki. Ada tiga keteknikan utama dalam membentuk benda keramik: pembentukan tangan langsung (handbuilding), teknik putar (throwing), dan teknik cetak (casting).

·         3.      PengeringanSetelah benda keramik selesai dibentuk, maka tahap selanjutnya

adalah pengeringan. Tujuan utama dari tahap ini adalah untuk menghilangkan air plastis yang terikat pada badan keramik. Ketika badan keramik plastis dikeringkan akan terjadi 3 proses penting: (1) Air pada lapisan antarpartikel lempung mendifusi ke permukaan, menguap, sampai akhirnya partikel-partikel saling bersentuhan dan penyusutan berhenti; (2) Air dalam pori hilang tanpa terjadi susut; dan (3) air yang terserap pada permukaan partikel hilang. Tahap-tahap ini menerangkan mengapa harus dilakukan proses pengeringan secara lambat untuk menghindari retak/cracking terlebih pada tahap 1. Proses yang terlalu cepat akan mengakibatkan keretakkan dikarenakan hilangnya air secara tiba-tiba tanpa diimbangi penataan partikel tanah liat secara sempurna, yang mengakibatkan penyusutan mendadak. Untuk menghindari pengeringan yang terlalu cepat, pada tahap awal benda keramik diangin-anginkan pada suhu kamar. Setelah tidak terjadi penyusutan, pengeringan dengan sinar matahari langsung atau mesin pengering dapat dilakukan.

4.      PembakaranPembakaran merupakan inti dari pembuatan keramik dimana proses

ini mengubah massa yang rapuh menjadi massa yang padat, keras, dan kuat. Pembakaran dilakukan dalam sebuah tungku (furnace) suhu tinggi. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi hasil pembakaran: suhu sintering (matang), atmosfer tungku dan mineral yang terlibat. Pada proses pemanasan, partikel-partikel bubuk menyatu dan memadat. Proses pemadatan ini menyebabkan objek keramik menyusut hingga 20 persen dari ukuran aslinya. Tujuan dari proses pemanasan ini adalah untuk

Page 17: p Tugas Artikel Ilmiah

memaksimalkan kekerasan keramik dengan mendapatkan struktur internal yang tersusun rapih dan sangat padat (Sumahamijaya, 2009). Pembakaran biskuit merupakan tahap yang sangat penting karena melalui pembakaran ini suatu benda dapat disebut sebagai keramik. Biskuit (bisque) merupakan suatu istilah untuk menyebut benda keramik yang telah dibakar pada kisaran suhu 700 – 1000oC. Pembakaran biskuit sudah cukup membuat suatu benda menjadi kuat, keras, kedap air. Untuk benda-benda keramik berglasir, pembakaran biskuit merupakan tahap awal agar benda yang akan diglasir cukup kuat dan mampu menyerap glasir secara optimal.

5.      PengglasiranPengglasiran merupakan tahap yang dilakukan sebelum dilakukan

pembakaran glasir. Benda keramik biskuit dilapisi glasir dengan cara dicelup, dituang, disemprot, atau dikuas. Untuk benda-benda kecil-sedang pelapisan glasir dilakukan dengan cara dicelup dan dituang; untuk benda-benda yang besar pelapisan dilakukan dengan penyemprotan. Fungsi glasir pada produk keramik adalah untuk menambah keindahan, supaya lebih kedap air, dan menambahkan efek-efek tertentu sesuai keinginan.

Proses Pembuatan Keramik Industri :1.      PembentukanSetelah pemurnian, sedikit wax (lilin) biasanya ditambahkan untuk

meekatkan bubuk keramik dan menjadikannya mudah dibentuk. Plastik juga dapat ditambahkan untuk mendapatkan kelenturan dan kekerasan tertentu. Bubuk tersebut dapat menjadi bentuk yang berbeda-beda dengan beragam proses pembentukan (molding). Proses pembentukan ini diantaranya adalah slip casting, pressure casting, injection molding, dan extruction. Setelah dibentuk, keramik kemudian dipanaskan dengan proses yang dikenal dengan nama densifikasi (densification) agar material yang terbantuk lebih kuat dan padat.

2.      DensifikasiProses densifikasi menggunakan panas yang tinggi untuk menjadikan

sebuah keramik menjadi produk yang keras dan padat. Setelah dibentuk, keramik dipanaskan pada tungku (furnace) dengan temperatur antara 1000 sampai 1700oC. Pada proses pemanasan, partikel-partikel bubuk menyatu dan memadat. Proses pemadatan ini menyebabkan objek keramik menyusut hingga 20% dari ukuran aslinya. Tujuan dari proses pemanasan ini adalah untuk memaksimalkan kekerasan keramik dengan mendapatkan struktur internal yang tersusun rapih dan sangat padat.

Beberapa contoh penggunaan keramik industri:

Peralatan yang dibuat dari alumina dan silikon nitrida dapat digunakan sebagai pemotong, pembentuk dan penghancur logam.

Page 18: p Tugas Artikel Ilmiah

Keramik tipe zirconias, silikon nitrida maupun karbida dapat digunakan untuk saluran pada rotorturbocharger diesel temperatur tinggi dan Gas-Turbine Engine.

Keramik sebagai insulator adalah aluminum oksida (AlO3). Keramik sebagai semikonduktor adalah barium titanate (BaTiO3) dan strontium titanate (SrTiO3). Sebagai superkonduktor adalah senyawa berbasis tembaga oksida.

Keramik dengan campuran semen dan logam digunakan untuk pelapis pelindung panas pada pesawat ulang-alik dan satelit.

Keramik Biomedical jenis porous alumina digunakan sebagai implants pada tubuh manusia. Porous alumina dapat berikatan dengan tulang dan jaringan tubuh.

Butiran uranium termasuk keramik yang digunakan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Butiran ini dibentuk dari gas uranium hexafluorida (UF6).

Keramik berbasis feldspar dan tanah liat digunakan pada industri bahan bangunan.

Keramik juga digunakan sebagai coating (pelapis) untuk mencagah korosi. Keramik yang digunakan adalah jenis enamel. Peralatan rumah tangga yang menggunakan pelapisan enamel ini diantaranya adalah kulkas, kompor gas, mesin cuci, mesin pengering.

Referensi

1. William D. Callister and David G. Rethhwisch.2009.materials science and engineering an introducting Eight Edition. United States of America.

2. R.E. Smallman and R.J. Bishop.1999.Modern Physical Metallurgy and Material Engieering Sixth Edition. Elsevier Sciene Ltd.

3. Jurnal Sains dan Teknologi Kimia ISSN 2087-7412. Vol.1 No.1 April 2010, hal 30-37

4. Jurnal Sains dan Teknologi Kimia ISSN 2087-7412. Vol.1 No.22 Oktober 2010, Hal 182-190

5. Jurnal Sains ISSN 1978-8378. Vol.3 No.1, 20096. Jurnal Penelitian Sains dan Teknologi, Vol 7, No.1, 2006: 33-417. Jurnal Sains dan Teknologi, Pengaruh Temperatur Sintering Terhadap Sifat

Mekanik Keramik Insulator Listrik. FTI-ITS