BAB II ALUMINIUM DAN PADUANNYA

Transkripsi

1 BAB II ALUMINIUM DAN PADUANNYA Aluminium adalah salah satu logam ringan (light metal) dan mempunyai sifat-sifat fisis dan mekanis yang baik, misal kekuatan tarik cukup tinggi, ringan, tahan korosi, formability yang baik dan sebagai penghantar panas/listrik yang baik sehingga banyak digunakan di bidang teknik misal bahan pada struktur pesawat. Aluminium menempati urutan ke-3 dari unsurunsur dalam kerak bumf (crustal abundance) setelah oksigen dan silikon. Ekstraksi Aluminium Di alam, aluminium berada dalam bentuk senyawa dengan unsur lain misal silikon dan oksigen. Bauksit merupakan oksida aluminium hidrat (Al xh 2 0) dengan bahan ikutan seperti besi, silika dan titania. Proses ekstraksi yang banyak dipakai adalah Proses Bayer dan Proses Hall-He'roult. I. Proses Bayer Proses ini ditemukan oleh Karl Josef Bayer dari Austria pada tahun 1888 dengan melarutkan larutan mineral bauksit ke dalam NaOH pada suhu 240 C sesuai dengan reaksi berikut : Al xh NaOH --> 2NaAIO 2 + (x+1)h 2 0 Alumina (Al ) akan larut sedangkan residu yang berupa oksida atau silika dipisahkan dengan cars filtrasi. Pada tahap ke-2 kondisi harus diatur supaya reaksi di atas bergeser ke kiri dengan cara pendinginan sehingga menjadi : 2NaAlO 2 + 2H 2 0 > 2NaOH + Al H 2 0 Senyawa trihydrate A H 2 0 kemudian diberi perlakuan calcination (pembakaran) dalam kiln putar melalui 2 tahap : 1. Pada suhu C, air kristal akan hilang sehingga menghasilkan alumina (A ) dalam bentuk - A aktif 2. Pemanasan pada suhu 1200 C menyebabkan terjadinya reaksi : - A α- A II. Proses Hall- He 'roult Karena alumina ( A ) mempunyai titik leleh yang tinggi (2040 C) dan konduktivitas listrik yang rendah maka produksi aluminium dilakukan dengan cars melarutkan Al ke dalam cryolite (Na 3 AIF 6 ) cair sekitar % ditambah bahan additive seperti AIF 3 dan CaF 2 sebanyak 2-8 %. Sel elektrolit Hall-He'roult yang digunakan untuk ekstraksi Al seperti pada gambar 2.1. di bawah.

2 Gambar 2.1. Sel elektrolit Hall-He'roult Bagian utama dari sel ini adalah anoda karbon yang diumpankan, larutan elektrolit yang terdiri dari cryolite + alumina, alumina cair ruang berlapis karbon untuk menahan Al cair dan elektrolit dan sistem penampung gas untuk mencegah keluarnya gas tersebut ke lingkungan. Elektrolit akan menghasilkan ion-ion seperti Na +,, dan ion kompleks seperti 1. Anion flouroaluminate pada katoda akan menghasilkan Al dan ion sedangkan pada anoda terjadi disosiasi oxoflouroaluminate yang menghasilkan oksigen dan CO 2 sehingga reaksi keseluruhan dapat ditulis : 2Al C > 4A1+ 3CO 2 Sel elektrolisis di atas biasanya beroperasi pada suhu C dengan arus sebesar 250 ka. Jarak anoda-katoda sebesar 4-5 cm dengan penurunan tegangan sebesar 4,5 volt. Klasifikasi Aluminium dan Paduannya Aluminium murni relatif lunak dan penambahan unsur paduan dapat meningkatkan sifat mekanisnya. Pengelompokan paduan Al didasarkan pada jenis unsur paduan dengan menggunakan sistem 4 digit dimana digit pertama menunjukkan kelompok aluminium, digit kedua menunjukkan modifikasi dari paduan aslinya atau Batas unsur pengotor dan 2 digit terakhir menunjukkan kemurnian aluminium.

3 Paduan aluminium dapat dikelompokkan menjadi paduan yang tidak bisa diberi perlakuan panas (non heat treatable alloy) dan paduan yang dapat diberi perlakuan panas (heat treatable alloy) ). Non Heat Treatable Alloy Kekuatan tarik paduan Al ini dapat ditingkatkan dengan cara pengerjaan dingin (cold work) atau pengerasan larutan padat (solid solution hardening) dan unsur seperti Mg. Yang termasuk pada kelompok ini adalah paduan seri boa, 3xxx dan 5xxx. Heat Treatable Alloy Kekerasan dan kekuatan tarik tergantung pada komposisi dan perlakuan panas yang terdiri dari : 1. Pemanasan di atas garis solves sehingga unsur-unsur paduan akan larut dalam fasa tunggal a. Tahap ini dinamakan perlakuan larutan (solution treatment). 2. Pendinginan cepat sampai suhu kamar sehingga terbentuk larutan padat lewat jenuh (supersaturated solid solution). 3. Proses penuaan (ageing) dengan cara memanaskan kembali pada suhu sekitar C sehingga terbentuk endapan yang sangat halus.

4 Gambar 2.3. Siklus thermal pengerasan endapan Termasuk kelompok ini adalah paduan aluminium seri 2xxx, 6xxxx dan 7xxx. Pengerasan Endapan (Precipitation Hardening) Kekuatan dan kekerasan dari beberapa paduan aluminium disebabkan karena terbentuknya partikel-pertikel atau endapan halus (precipitate) yang tersebar merata pada matriks aluminium sebagai akibat dari perlakuan panas. Proses ini dinamakan precipitation hardening dan kadang-kadang dinamakan pula age hardening (penuaan) karena kenaikan kekerasan merupakan fungsi waktu. Contoh logam paduan yang mengalami proses ini adalah paduan seri 2xxx, 6xxx dan 7xxx. Paduan tipe ini mempunyai diagram fasa biner hypothetic sistem A-B seperti terlihat pada gambar 2.4. di bawah. Gambar 2.4. Diagram fasa biner hypothetic

5 Dan gambar terlihat bahwaa batas kelarutan B di dalam logam A mencapai maksimum pada titik M. Batas kelarutan ini turun dari titik M sampai titik N. Jika logam paduan dengan komposisi C o dipanaskan pada suhu T o maka akan terbentuk fasa α. Jika kemudian dilakukan pendinginan secara cepat pada suhu T 1 maka maka difusi tidak terjadi dan tidak terbentuk fasa. Selanjutnya jika dipanaskan padaa suhu T2 maka difusi mulai terjadi dan terbentuk fasa berupa partikel-partikel kecil. Proses ini dinamakan penuaan. Pembentukan pertikel-partikel kecil ini berpengaruh pada sifat- terlihat pada sifat mekanis (kekerasan dan kekuatan tafik) logam paduan seperti gambar 2.5. di bawah. Gambar 2.5. Proses penuaan (ageing) Proses precipitation hardening dapat dilihat pada paduan Al-Cu seperti pada gambar 2.6. Fasa α adalah larutan padat Cu di dalam pelarut aluminium sedangkan fasa adalah CuAl 2. Misal paduan 96 %Al-4 %Cu selama perlakuan panas akan terjadi perubahan fasa sbb. : GP zone ---> " ' >

6 Gambar 2.6. Proses pembentukan endapan Pada awal penuaan, atom-atom Cu akan berkelompok dan membentuk piringan tipis yang dinamakan Guinier-Preston (GP) zone dengan susunan atom yang coherent terhadap matriks aluminium. GP zone menyebabkan kenaikan kekuatan dan kekerasan logam paduan dan selanjutnya berubah menjadi " (GP2 zone). Seiring dengan berjalannya waktu, atom-atom Cu berdifusi dan membentuk fasa ' yang semi coherent dalam bentuk partikel-partikel halus yang tersebar merataa dalam matriks aluminium. Penurunan kekuatan tank dan kekerasan terjadi jika ' berubah menjadi (CuAl2) karena ukuran fasa menjadi lebih besar dan tidak coherent dengan matriks aluminium. Tahap ini dinamakan over ageing.