I.
I.
TITANIUM
TITANIUM
A.
A. Sejarah TitaniumSejarah Titanium
Pada 1791 William Gregor pendeta Inggris, ahli mineral, dan ahli kimia Pada 1791 William Gregor pendeta Inggris, ahli mineral, dan ahli kimia menemukan titanium. Dia memeriksa pasir magnetik dari sungai setempat, menemukan titanium. Dia memeriksa pasir magnetik dari sungai setempat, yaitu sungai Helford, di Lembah Menachan di Cornwall, Inggris. Dia menelit yaitu sungai Helford, di Lembah Menachan di Cornwall, Inggris. Dia menelitii "pasir hitam", yang sekarang dikenal sebagai "ilmenite". Dengan "pasir hitam", yang sekarang dikenal sebagai "ilmenite". Dengan mengeluarkan besi dengan magnet dan memperlakukan pasir dengan asam mengeluarkan besi dengan magnet dan memperlakukan pasir dengan asam klorida, dia menghasilkan oksida tak murni dari unsur baru. Dia klorida, dia menghasilkan oksida tak murni dari unsur baru. Dia menamakannya "mekanik", setelah meneliti unsur tersebut.
menamakannya "mekanik", setelah meneliti unsur tersebut.
Empat tahun kemudian, ahli kimia Berlin Martin Heinrich Klaproth Empat tahun kemudian, ahli kimia Berlin Martin Heinrich Klaproth meneliti titanium oksida secara terpisah dari mineral di Hungaria, yang meneliti titanium oksida secara terpisah dari mineral di Hungaria, yang sekarang dikenal sebagai "rutile". Mitologi Yunani memberinya nama baru sekarang dikenal sebagai "rutile". Mitologi Yunani memberinya nama baru dari nama anak-anak Uranos dan Gaia, titans. Titans benar-benar dibenci oleh dari nama anak-anak Uranos dan Gaia, titans. Titans benar-benar dibenci oleh ayah mereka
ayah mereka karena kerasnya mereka karena kerasnya mereka dan mereka dan mereka ditahan di ditahan di dalam kerakdalam kerak bumi, serupa
bumi, serupa dengan dengan yang keras yang keras untuk menuntuk mengekstrak bijih gekstrak bijih rutile rutile tersebut tersebut oleholeh karena itu dia menamakannya Titanium.
karena itu dia menamakannya Titanium.
Butuh lebih dari 100 tahun sebelum Matthew Albert Hunter dari Butuh lebih dari 100 tahun sebelum Matthew Albert Hunter dari Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, New York, Amerika Serikat, Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, New York, Amerika Serikat, mampu meneliti logam tersebut pada tahun 1910 dengan memanaskan mampu meneliti logam tersebut pada tahun 1910 dengan memanaskan titanium tetraklorida (TiCl4) dengan sodium dalam sebuah bom baja. titanium tetraklorida (TiCl4) dengan sodium dalam sebuah bom baja. Akhirnya, Wilhelm Justin Kroll dari Luxembourg dikenal sebagai bapak Akhirnya, Wilhelm Justin Kroll dari Luxembourg dikenal sebagai bapak industri titanium. Pada tahun 1932 ia menghasilkan jumlah titanium yang industri titanium. Pada tahun 1932 ia menghasilkan jumlah titanium yang signifikan dengan menggabungkan TiCl4 dengan kalsium. Pada awal Perang signifikan dengan menggabungkan TiCl4 dengan kalsium. Pada awal Perang Dunia II ia melarikan diri ke Amerika Serikat. Di Biro Pertambangan Dunia II ia melarikan diri ke Amerika Serikat. Di Biro Pertambangan Amerika Serikat. dia menunjukkan bahwa titanium dapat diekstraksi secara Amerika Serikat. dia menunjukkan bahwa titanium dapat diekstraksi secara komersial dengan mengurangi TiCl4 dengan mengubah zat pereduksi dari komersial dengan mengurangi TiCl4 dengan mengubah zat pereduksi dari kalsium menjadi magnesium.
kalsium menjadi magnesium.
Saat ini metode Wilhelm Justin Kroll masih merupakan metode yang Saat ini metode Wilhelm Justin Kroll masih merupakan metode yang
Dunia Kedua, paduan berbasis titanium dianggap bahan utama untuk mesin Dunia Kedua, paduan berbasis titanium dianggap bahan utama untuk mesin pesawat
pesawat terbang. terbang. Pada Pada tahun tahun 1948, Perusahaan 1948, Perusahaan DuPont DuPont adalah adalah yang pertamayang pertama memproduksi titanium secara komersial. Saat ini dirgantara masih menjadi memproduksi titanium secara komersial. Saat ini dirgantara masih menjadi konsumen utama titanium dan paduannya, namun pasar lain seperti arsitektur, konsumen utama titanium dan paduannya, namun pasar lain seperti arsitektur, pengolahan kimia,
obat- pengolahan kimia, obat-obatan, pembangkit tenaga obatan, pembangkit tenaga listrik, listrik, kelautan dan kelautan dan lepaslepas pantai, olahraga dan liburan, dan transportasi semakin mening
pantai, olahraga dan liburan, dan transportasi semakin meningkat.kat.
Tabel 1
Tabel 1. Physical Properties of High-Purity polycrystalline. Physical Properties of High-Purity polycrystalline αα Titanium (>99,9 %) at 25 C Titanium (>99,9 %) at 25 C
Titanium sebenarnya bukan zat langka karena memiliki unsur kesembilan Titanium sebenarnya bukan zat langka karena memiliki unsur kesembilan yang paling banyak dan logam struktural paling banyak keempat di kerak yang paling banyak dan logam struktural paling banyak keempat di kerak bumi
bumi hanya hanya dilampaui dilampaui oleh oleh aluminium, aluminium, besi, besi, dan dan magnesium. magnesium. Sayangnya,Sayangnya, jarang ditemukan dalam konsentrasi tinggi dan t
jarang ditemukan dalam konsentrasi tinggi dan tidak pernah ditemukan dalamidak pernah ditemukan dalam keadaan murni. Dengan demikian, kesulitan dalam pengolahan logam keadaan murni. Dengan demikian, kesulitan dalam pengolahan logam membuatnya mahal. Bahkan saat ini hanya diproduksi dalam proses batch, membuatnya mahal. Bahkan saat ini hanya diproduksi dalam proses batch, dan tidak ada proses lanjutan seperti untuk logam struktural lainnya.
dan tidak ada proses lanjutan seperti untuk logam struktural lainnya.
Titanium biasanya terjadi di pasir mineral yang mengandung ilmenit Titanium biasanya terjadi di pasir mineral yang mengandung ilmenit (FeTiO3), yang banyak ditemukan di pegunungan Ilmen di Rusia, atau rutile (FeTiO3), yang banyak ditemukan di pegunungan Ilmen di Rusia, atau rutile (TiO2), yang banyak ditemukan dari pasir pantai di Australia, India, dan (TiO2), yang banyak ditemukan dari pasir pantai di Australia, India, dan Meksiko. Titanium dioxide adalah pigmen putih serbaguna yang digunakan Meksiko. Titanium dioxide adalah pigmen putih serbaguna yang digunakan dalam cat, kertas, dan plastik, dan mengkonsumsi sebagian besar produksi dalam cat, kertas, dan plastik, dan mengkonsumsi sebagian besar produksi dunia. Selain Rusia, Australia, India, dan Meksiko, deposit mineral yang dunia. Selain Rusia, Australia, India, dan Meksiko, deposit mineral yang dapat dilakukan mencakup situs-situs di Amerika Serikat, Kanada, Afrika dapat dilakukan mencakup situs-situs di Amerika Serikat, Kanada, Afrika
B.
B. Pengertian dan Karakter TitaniumPengertian dan Karakter Titanium
Titanium, Titanium, 2222TiTi
Sifat umum Sifat umum
Nama,
Nama, simbol simbol titanium, Tititanium, Ti
Penampilan
Penampilan abu-abu putih perak metalikabu-abu putih perak metalik
Titanium di
Titanium di tabel periodik tabel periodik
--↑ ↑ Ti Ti ↓ ↓ Zr Zr skandium
skandium ←← titaniumtitanium →→ vanadium vanadium
Nomor atom
Nomor atom (( Z Z )) 2222
Golongan
Golongan golongan 4golongan 4
Periode
Kategori unsur
Kategori unsur logam transisilogam transisi
Massa atom standar
Massa atom standar(±)((±)( A Ar r )) 47.867(1)47.867(1)
Konfigurasi elektron
Konfigurasi elektron [Ar][Ar] 3d 3d 22 4s 4s22
per kulit
per kulit 2, 8, 10, 22, 8, 10, 2
Sifat fisika Sifat fisika
Fase
Fase solid solid
Titik lebur
Titik lebur 19411941 K K (1668 °C, 3034 °F)(1668 °C, 3034 °F)
Titik didih
Titik didih 3560 K (3287 °C, 5949 °F)3560 K (3287 °C, 5949 °F)
Kepadatan
Kepadatan mendekatimendekati s.k. s.k. 4.506 g/cm4.506 g/cm33
saat cair, pada t.l.
saat cair, pada t.l. 4.11 g/cm4.11 g/cm33
Kalor peleburan
Kalor peleburan 14.1514.15 kJ/mol kJ/mol
Kalor penguapan
Kalor penguapan 425 kJ/mol425 kJ/mol
Kapasitas kalor molar
Kapasitas kalor molar 25.060 J/(mol·K)25.060 J/(mol·K)
Tekanan uap Tekanan uap P P(Pa)(Pa) 1 1 10 10 100 100 1 1 k k 10 10 k k 100 100 kk at T at T(K) 1982 2171 (240(K) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3) 2692 3064 35583558 Sifat atom Sifat atom
Bilangan oksidasi 4, 3, 2, 1[1]oksida amfoter
Elektronegativitas Skala Pauling: 1.54
Jari-jari atom empiris: 147 pm
Jari-jari kovalen 160±8 pm
Lain-lain
Struktur kristal heksagon
Kecepatan suara batang ringan 5,090 m/s (pada s.k.)
Ekspansi kalor 8.6 µm/(m·K) (suhu 25 °C)
Kondusivitas termal 21.9 W/(m·K)
Resistivitas listrik 420 n Ω·m (suhu 20 °C)
Arah magnet paramagnetik
Modulus Young 116 GPa
Modulus Shear 44 GPa
Modulus Bulk 110 GPa
Skala Mohs 6.0
Skala Vickers 970 MPa
Skala Brinell 716 MPa
Nomor CAS 7440-32-6
Isotop titanium terstabil
iso NA waktu paruh DM DE (MeV) DP 44Ti syn 63 y ε - 44Sc γ 0.07D, 0.08D
-46Ti 8.0% Ti stabil dengan 24 neutron 47Ti 7.3% Ti stabil dengan 25 neutron 48Ti 73.8% Ti stabil dengan 26 neutron 49Ti 5.5% Ti stabil dengan 27 neutron 50Ti 5.4% Ti stabil dengan 28 neutron
Titanium terdapat di bagian tengah dari tabel periodik. Tabel periodik menunjukkan relasi antara unsur-unsur yang terdapat di dalamnya. Titanium merupakan logam transisi yang termasuk ke dalam golongan VI B bersama dengan Hafnium (Hf), Rutherfordium (Rf) dan Zirconium (Zr) (Newton, 2010).
Gambar 1. Titanium
Titanium adalah logam berlimpah nomor empat di dunia setelah aluminium, besi, dan magnesium. Selain itu, titanium juga merupakan salah satu unsur terbanyak yang menempati urutan ke sembilan di kerak bumi dengan kelimpahan sekitar 0,63% (Donachie, 1988). 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 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; 46 sampai 50 dengan Ti-48 yang paling banyak terdapat di alam (73,8%).
C. Paduan Titanium
Titanium mempunyai titik cair yang tinggi yaitu 1668oC dengan titik tranformasi pada 882oC 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 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 700oC, 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 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 sifat keras dan getas, dalam hal ini presipitasi harus dihindari. Biasanya dipanaskan
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.
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.
3. Paduan titanium f asa 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 500oC 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 dan keuletan dapat bertahan hingga 253oC. 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.
Gambar 2. 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 dekat α alloy dapat menguntungkan untuk heat treatmen dan kemampuan untuk ditempa. Alloy kemungkinan mengandung beberapa elemen sebagai contoh ;
Ti – 6Al – 2Sn – 4Zr – 2Mo
Tabel 3.Komposisi kimia dan aplikasi dari titaniumαalloy
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 kandungan oxygen, carbon and nitrogen diturunkan.
Gambar 3.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 banyak dipakai karena kekuatannya
(1100 MPa) ketahanan mulur 300oC , ketahanan fatiq dan mudah dicor. Selain alloy yang telah disebutkan paduan Ti-4%Al-3%Mo-1%V juga merupakan paduan yang banyak dipergunakan.
Gambar 4.Diagram fasa Ti-6Al-V dan struktur mikro Ti-6%Al-4%V daerah fasaα
+β yang dianil(butir α warna putih dan fasaβ warna gelap)
Tabel 4.Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium α+βalloy
5. Paduan titanium f asa 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 titianium terutama hannya dipergunakan untuk pesawat terbang.
6. Titanium Aluminida
Kebanyakan aluminida dari Titanium memiliki struktur lamellar yang tersusun dari layer-layer dari suatu hexagonal Ti3Al 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 ketahanan mulur. Fasa γ berbentuk bidang close packed yang pararel terhadap bidang basal dari α2:
7. Titanium Nitrida
Gambar 6. Titanium Trinida
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 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.
Tabel 5. Karakteristik Titanium Nitrida (Pierson, 1996)
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 masing- masing 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 16disajikan pada
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
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 berikut :
Gambar 8. Proses reactive sputtering (Seshan, 2002) 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
1. PelaksanaanPenelitian
Persiapan Spesimen Uji Spesimen uji dalam penelitian ini memiliki ukuran diameter 14 mm dan tebal 2 mm. Persiapan spesimen uji dilakukan untuk 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.
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 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 gambar :
Gambar 9. Pengamatan melintang baja tahan karat AISI 410
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 berikut :
Gambar 10. Hasil uji EDX
Gambar diatas menunjukkan bahwa terdapat peningkatan unsur titanium pada permukaan lapisan hasil deposisi TiN. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan 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).
D. Aplikasi Titanium
Hampir semua titanium digunakan sebagai paduan dengan logam lain. Di antara paduan logam yang paling penting adalah aluminium, vanadium, molibdenum, mangan, besi, timah, kromium dan zirkonium. Salah satu yang paling sering digunakan memiliki komposisi 90% titanium, 6% aluminium,
1. Dalam bidang industri
Gambar 11. Pembuatan Cat dalam bidang perindustrian
Dalam bidang industri titanium memiliki banyak manfaat. Salah satu senyawa titanium, yaitu titanium dioksida sangat banyak digunakan untuk cat rumah dan cat yang digunakan oleh para seniman, karena sifatnya yang permanen dan dapat menutup dengan baik. Cat dengan kandungan titanium merupakan reflektor yang sangat baik dari inframerah, dan secara luas digunakan di observatorium surya. Paduan titanium pun banyak digunakan dalam pembuatan kacamata, sepeda, tongkat golf, peralatan olahraga, pelapis atap, hingga konstruksi bangunan. Saat ini titanium jenis Ti-6Al-4V (Ti64), yang merupakan sebuah paduan alpha-beta, menjadi titanium yang paling banyak dipakai dan dipakai hingga 90% dari keseluruhan titanium yang digunakan dalam industri, sementara itu titanium murni yang digunakan secara komersial yang merupakan dan paduan beta secara perlahan mulai banyak mendapat perhatian dan mulai banyak digunakan
Gambar 12. Museum Guggenheim (Gb.Rod Greenhow).
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
2. Dalam bidang militer
Gambar 13. Tank untuk Militer
Paduan titanium digunakan dalam kendaraan lapis baja, tank, rompi lapis baja, serta rudal untuk kepentingan militer, seperti yang telah dilakukan oleh militer Amerika Serikat.
3. Dalam bidang kedirgantaraan
Gambar 14. 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 sifatnya yang ringan, tidak mudah berkarat, kemampuan untuk menahan temperatur yang ekstrim dan memiliki konduktivitas yang baik, maka dalam bidang transportasi titanium sangat baik digunakan sebagai bahan pembuatan badan pesawat terbang, pesawat ruang angkasa dan kapal
selam (Stwertka, 2002).
Titanium dan paduannya telah banyak diaplikasikan di berbagai bidang termasuk kedirgantaraan. Ketahanan korosi yang sangat baik dan tingginya rasio kekuatan berbanding berat adalah faktor utama di balik aplikasi titanium di industri kedirgantaraan. Titanium dioksida merupakan salah satu senyawa dari titanium yang sering dimanfaatkan. Sebagian besar titanium dioksida yang dipakai dalam aplikasi berukuran nano meter. Baru-baru ini, diperkenalkan sebuah paduan beta baru, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553) dan telah ditetapkan di beberapa aplikasi utama dalam pesawat Boeing 787 "Dreamliner". Karena paduan ini relatif baru, area untuk penelitian secara luas terbuka, mulai dari sudut pandang manufaktur hingga proses las yang relatif tidak dikenal sebelumnya. Penelitian sedang dilakukan adalah pada struktur mikro, transformasi fasa dan sifat mekanik dari paduan Ti5553
4. Dalam bidang kedokteran dan biomedis
Gambar 15. Ilustrasi implan gigi yang dipasangkan ke dalam tulang rahang (Mozartha, 2007).
Gambar 16. Salah satu jenis implan yaitu endosseous implant, di mana implan dipasang di dalam tulang. Implan dapat berbentuk skrup atau silinder yang umumnya terbuat dari
logam (Mozartha, 2007).
Paduan titanium juga telah populer dalam bidang kedokteran, seperti dalam kasus implan, baik implan gigi maupun implan tubuh, misalnya pembuatan pinggul dan lutut palsu. Paduan titanium bersifat ringan, kuat, tahan lama, dan biokompatibel, sehingga tidak menimbulkan reaksi ketika ditempatkan ke dalam tubuh (Newton, 2010). Titanium pun dapat digunakan sebagai bahan implan gigi dengan mencampurkannya terlebih dahulu dengan bahan lain seperti alumininum dan vanadium dengan
komposisi tertentu. Paduan titanium pun dapat digunakan sebagai replacement sendi dan alat fiksasi pada fraktur (Mozartha, 2007).
Dalam aplikasi biomedis, paduan titanium menawarkan biokompatibilitas yang sangat baik dengan jaringan manusia. Daerah ortopedi telah banyak menggunakan titanium sebagai properti untuk penggantian pinggul dan lutut, serta tulang atau fraktur fiksasi dan penggantian tulang (Humas FT, 2013). Titanium juga dapat diaplikasikan sebagai bahan fotokatalisis, sensor gas, pembersih polutan yang ada di udara, tanah dan air, pelapis alat-alat di bidang kedokteran, kosmetik, sel surya, penyerap gelombang elektromagnetik, dan sebagai bahan campuran dalam cat agar tahan korosi (Diebold, 2002).
Gambar 17. (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.
E. Struktur Titanium
Gambar 18. Struktur Kristal titanium murni (Banerjee, 2013).
Titanium bersifat allotropy, yaitu memiliki dua struktur kristal yang berbeda pada temperatur yang berbeda.
Pada temperatur ruang, titanium murni memiliki struktur kristal hexagonal closed packed (HCP). Struktur ini disebut fasa alpha, dan stabil sampai temperature 1620oF (882oC) sebelum struktur kristalnya berubah.
Pada temperatur yang lebih tinggi, struktur kristal berubah menjadi body centered cubic (BCC). Struktur ini disebut fasa beta. Temperature transisi dari alpha menjadi beta disebut beta transus. Fasa alpha beta dari 1620 F sampai titik leleh (3130 F).
Pada paduan titanium, unsur yang ditambahkan cenderung mengubah jumlah fasa yang ada dan temperatur beta transus. Unsur-unsur yang menaikkan temperatur beta transus dengan menstabilkan fasa alpha disebut alpha stabilizer, yaitu aluminium, oksigen, nitrogen, dan karbon. Unsur-unsur yang menurunkan temperatur beta transus disebut beta stabilizer. Beta stabilizer dibagi menjadi dua, yaitu unsur beta isomorphous (kelarutan tinggi dalam titanium, termasuk molybdenum, vanadium, niobium, tantalum) dan beta eutectoid (kelarutan terbatas, termasuk silicon, kobalt, besi, nikel, tembaga, kromium).
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.
1) Sifat Fisik
Titanium bersifat paramagnetik (lemah tertarik dengan magnet) dan memiliki konduktivitas listrik dan konduktivitas termal yang cukup rendah.
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)
Kalor penguapan 25 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 2) Sifat Kimia
Sifat kimia dari titanium yang paling terkenal adalah ketahanan terhadap korosi yang sangat baik (pada suhu biasa membentuk oksida, TiO2), 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 Titanium dengan Halogen menghasilkan Titanium Halida. Reaksi dengan Fluor berlangsung pada suhu 200°C.
Ti(s) + 2F2(s) → TiF4(s) Ti(s) + 2Cl2(g) → TiCl4(s) Ti(s) + 2Br2(l) → TiBr4(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
(TiF6)3-2Ti(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.
3) Sifat Mekanik
Modulus Young 116 Gpa
Nisbah Poisson 0,32
Skala Kekerasan Mohs 6
Kekerasan Vickers 970 Mpa
Kekerasan Brinell 716 Mpa
Nomor CAS 7440-32-6
F. Dampak dan Penanggulangan Titanium 1. Dampak
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
2. Penanggulangan
Bersentuhan dengan kulit. Basahi kulit secara menyeluruh dengan air.
Dapatkan bantuan medis bila iritasi berkembang atau berlanjut.
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
G. Proses Pembuatan Titanium
Proses ini menggunakan proses kroll, semua titanium, kecuali yang sangat kecil untuk bahan elektronik yang membutuhkan kemurnian tinggi, diproduksi oleh proses Kroll. Proses Kroll melibatkan pengurangan titanium dari titanium untuk menghilangkan kotoran. Proses produksi ini digambarkan secara skematik pada Gambar 19.
Gambar 19. Proses Pembuatan Titanium
Proses Kroll, yang berasal dari jenis batch, agak rendah dalam produktivitas, namun telah memantapkan dirinya sebagai proses peleburan titanium andalan karena kelebihan penyempurnaan titanium tetraklorida dengan distilasi, yang meningkatkan kemurnian titanium metalik.
Di masa lalu, peningkatan ukuran batch dan penurunan konsumsi daya listrik merupakan isu penting. Tujuan saat ini adalah menuju peningkatan efisiensi dan pengembangan teknologi untuk pengurangan biaya lebih lanjut dan menuju diferensiasi kualitas untuk aplikasi tertentu. Produk dengan kemurnian tinggi untuk bahan elektronik, yang secara tradisional dikatakan tidak diproduksi oleh proses Kroll, sekarang juga diproduksi oleh proses Kroll.
1. Proses Penyulingan Titanium a) Bahan Baku
dibebankan sebagai bahan baku untuk titanium tetraklorida ke dalam khlorinator klorin terfluidisasi. Mereka terlihat seperti pasir dan berukuran sekitar 100 sampai 200 gm dalam ukuran partikel rata-rata. Nilai representatif dari bahan baku ini diberikan pada Tabel 6.
Tabel 6. Nilai Representatif Bahan Baku Titanium
Rutil alam telah digunakan sebagai bahan baku utama. Rutil alam sering didapat ditambang pada endapan aluvial. Karena sumber dayanya tidak kaya dan harganya sangat berfluktuasi, persentase penggunaan bahan baku peleburan titanium menurun.
Rutil sintetis ditingkatkan menjadi ilmenit yang zat besinya dipilih secara selektif dan dikeluarkan dari ilmenit alam (FeTi03) menjadikan kemurnian titanium oksida lebih dari 90%. Ini juga diproduksi dan dikonsumsi dalam jumlah besar sebagai bahan baku titanium dalam proses pigmen titanium klorida. Baru-baru ini, rutil sintetis telah
menjadi bahan baku utama produksi logam titanium.
Terak titanium diproduksi dengan mencairkan ilmenit dan kokas dalam tungku listrik dan dengan memisahkan dan mengeluarkan besi redup sebagai pig iron. Terak titanium sedikit lebih tinggi kandungan kotorannya daripada rutil sintetis dan alami, namun harganya stabil.
Untuk alasan ini, persentase penggunaannya telah meningkat dari tahun ke tahun.
Dalam penggunaan, kotoran (seperti besi, mangan, arsen dan vanadium) yang menyebabkan masalah pada proses produksi titanium tetraklorida, dan juga harga penting. Karena masalah unsur radioaktif dalam limbah, perlu juga mempertimbangkan kandungan uranium dan torium.
b) Produksi TiCl4
Sulit untuk menghasilkan titanium metalik langsung dari bahan baku oksida. Proses Kroll menghasilkan titanium metalik dari TiCl4 sebagai
intermediate.
TiCl4 dibentuk oleh reaksi berikut (reaksi eksotermik):
TiO
2+ 2Cl + C = TiCl
4+ CO
2/CO
∆ = −176
ℎ 1000°
Bijih titanium dan kokas yang disebutkan di atas dicampur dan terus dimasukkan ke dalam tungku khlorinator terfluidisasi, dan direaksikan dengan gas klorin yang diperkenalkan melalui bagian bawah klorinator. Karena suhu klorinator dipertahankan pada atau di atas 1.000oC oleh reaksi panas, TiCl4 yang terbentuk adalah gas dengan suhu tinggi.
Logam pengotor terkandung dalam bijih bahan baku Seperti besi dan aluminium, secara bersamaan diklorinasi, dan dibawa oleh gas TiCl4 ke
pendingin pada langkah berikutnya.
Karena suhu tinggi, gas TiCl4 didinginkan pada tahap berikutnya,
kotoran seperti besi klorida dikondensasikan dan dihapus sebagai limbah padat. TiCl4 dipisahkan dari gas-gas yang tidak dapat
dikondisikan (misalnya CO2) dan diperoleh kembali sebagai cairan.
Cairan TiCl4 (TiCl4 mentah) masih mengandung banyak jenis kotoran.
Akhirnya, TiCl4 dimurnikan dalam fraksionator untuk mendapatkan
TiCl4 dimurnikan menjadi 4N (99,99%). TiCl4 untuk pembuatan
titanium dengan kemurnian tinggi untuk aplikasi semikonduktor dimurnikan lebih jauh lagi dengan kemurnian 5N.
c) Pengurangan dan Penyulingan
Reaksi reduksi dilakukan dengan mengisi bejana reaksi dari stainless steel (berdiameter sekitar 2 m dan panjangnya sekitar 5 m) dengan argon, mengisi magnesium cair, dan memberi mengisi TiCl4 cair dari
atas.
TiCl
4(L) + 2Mg (L) = Ti (S) + 2MgCl
2(L)
∆ = −387
ℎ 800°.
Produk sampingan MgCl2 (L) di leburkan untuk mengendalikan tingkat
permukaan reaksi. MgCl2 (L) yang dileburkan tersebut dikirim ke
pabrik elektrolisis dimana diregenerasi menjadi Mg (L) dan Cl (G). Pengurangan batch 8 ton membutuhkan waktu sekitar empat hari. Produktivitas dapat ditingkatkan hanya dengan meningkatkan laju umpan TiCl4, namun ini memerlukan pemecahan masalah seperti
pengalihan zat pembawa reaksi ke titanium yang terbentuk (kontaminasi kualitas) dan erosi pada bejana reaksi (pengaman) akibat kenaikan suhu dengan peningkatan jumlah panas.
Setelah reaksi reduksi, bejana reaksi dipindahkan ke tahap distilasi vakum berikutnya.
Penyulingan vakum adalah langkah dimana Mg (L) dan MgC12 (L) yang terperangkap dalam titanium diuapkan dan dihilangkan dengan memanaskan titanium sampai sekitar 1.000oC. Titanium yang diperoleh
Awalnya dalam tahap distilasi vakum, perpindahan panas terjadi melalui Ti (S), Mg (L) dan MgC12 (L). Saat Mg dan MgC12 berkurang, titanium sponge sendiri harus menjaga perpindahan panas. Selain konduktivitas termal yang buruk dari titanium itu sendiri, kehadiran pori membatasi perpindahan panas dan laju distilasi vakum. Untuk alasan ini, langkah distilasi vakum juga memakan waktu sekitar empat hari.
Setelah tahap distilasi vakum, spons titanium didinginkan sekitar empat hari sampai suhu kamar, dan kemudian didorong ke atas dari bejana reaksi (Gambar 20).
Gambar 20. Titanium Sponge
Titanium nitrida pada titik leleh tinggi, tidak akan meleleh selama pembuatan ingot, dan menjadi cacat pada ingot. Terutama, ada permintaan yang tinggi untuk titanium agar industri pesawat terbang bebas dari inklusi nitrida. Hal ini praktis tidak mungkin untuk memeriksa dan menghapus inklusi nitrida. Kualitas titanium untuk industri pesawat terbang dijamin dengan memperbaiki tahap distilasi dan distilasi vakum yang disertifikasi oleh pelanggan yang terkait dengan pesawat terbang dan dengan pengiriman untuk aplikasi pesawat terbang hanya produk titanium yang diproduksi saat memenuhi kondisi manufaktur tertentu.
d) MgCl2 Elektrolisis
Magnesium klorida anhidrat (MgC12) yang diperoleh sebagai produk sampingan dalam tahap reduksi dan penyulingan vakum titanium sponge yang menjadi didekomposisi dan dipulihkan sebagai magnesium metalik dan gas klorin dengan proses elektrolisis garam menyatu. Gas magnesium dan klorin metalik didaur ulang sebagai reduktan untuk tahap reduksi dan sebagai bahan baku untuk langkah produksi TiC14.
Elektrolisis MgC12 menyumbang 60% sampai 70% konsumsi daya
listrik dari keseluruhan proses peleburan titanium. Listrik merupakan komponen utama dari biaya peleburan titanium. Sel elektrolitik berubah dari jenis diafragma awal melalui tipe diafragma-kurang ke tipe bipolar yang dikembangkan in-house pada tahun 19855. Dalam kasus ini, elektrolisis telah meningkat secara nyata sehubungan dengan produktivitas dan konsumsi daya. Gambar 3. menunjukkan perubahan konsumsi daya elektrolisis. Konsumsi daya sel elektrolit bipolar per hari sekitar 10.000 kWh / ton-Mg dan sekitar separuh dari sel elektrolitik konvensional pada tahun 1978.
Gambar 21. Diagram Power Konsumtif Elektrolit
Sel elektrolitik bipolar memiliki dua atau lebih elektroda bipolar (grafit) yang disusun antara anoda (grafit) dan katoda (besi), dan menyebabkan reaksi elektrolitik terjadi pada permukaan anoda masing-masing.
Konsep ini diilustrasikan pada Gambar. 22. Karena sel elektrolit bipolar memiliki elektroda bipolar yang tidak terpapar di luar dan pada dasarnya berukuran sama dengan sel elektrolitik konvensional, kehilangan panasnya (power loss) sama dengan sel elektrolitik konvensional. Akibatnya, sel elektrolit bipolar dengan dua elektroda bipolar yang terpasang di antara anoda dan katoda, misalnya, tiga kali lebih tinggi dalam produktivitas dan dua pertiga lebih rendah dalam proporsi kehilangan panas dalam konsumsi daya dibandingkan dengan
elektrolitik konvensional sel.
Gambar 22. Konsep Konvensional dan Biopolar Sel Elektrolit
2. Proses Peleburan Baru
Selain proses Kroll yang mengurangi titanium dengan magnesium, proses Hunter yang mengurangi titanium dengan natrium secara komersial diterapkan pada titanium sponge. Karena proses Hunter tidak dirasionalisasi sebanyak proses Kroll, pabrik proses Hunter terakhir (RMI) ditutup pada tahun 1993.
Dua proses di atas adalah tipe batch. Ada beberapa proses lanjutan berikut ini:
1) Proses Elektriwinnging
2) Proses reduksi suhu tinggi dan tekanan tinggi 3) Proses reduksi fase gas
Penelitian telah dilakukan pada proses reduksi bijih bahan baku yang menggunakan kalsium dan aluminium sebagai reduktan. Proses ini tidak lebih unggul dari proses Kroll dalam biaya dan kualitas, dan belum sampai pada tahap produksi komersial. Proses elektrolisis dan proses yodium secara praktis diterapkan untuk menghasilkan titanium untuk aplikasi terbatas, seperti titanium dengan kemurnian tinggi sebagai bahan baku untuk bahan target.
Dengan perbaikan teknologi metalurgi serbuk, permintaan akan titanium bubuk semakin meningkat. Titanium yang diproduksi oleh proses Hunter sebelumnya digunakan sebagai bubuk titanium untuk metalurgi serbuk. Dengan hilangnya proses Hunter, serbuk titanium yang dibuat dengan proses hidrogenasi dan proses atomizing yang sekarang digunakan. Karena proses ini semua digunakan sebagai bahan baku titanium dalam proses Kroll, ada usulan proses baru yang secara langsung menghasilkan
serbuk titanium dengan aplikasi electronic mediated reaction (EMR). Pada bulan September 2000, University of Cambridge mengumumkan proses FFC (proses reduksi langsung dari titanium oksida) yang
menggabungkan pengurangan kalsium dengan elektrolisis garam leburan. 3. Proses Pencairan Titanium Ingot
Titanium memiliki afinitas yang kuat untuk oksigen dan nitrogen, dan memiliki titik leleh tinggi 1.670oC. Karena refraktori konvensional tidak dapat digunakan untuk mencairkan titanium, titanium harus dilelehkan dalam wadah tembaga berpendingin air dalam ruang hampa atau atmosfir inert. Titanium dapat dilebur dengan proses Vacum Arc Remelting (VAR), proses peleburan busur plasma, proses peleburan ulang elektron, atau proses peleburan ulang elektro-slag (ESR). Di sini diperkenalkan proses Vacum Arc Remelting (VAR) Dan proses Electron Beam Cold
Hearth Refining (EBCHR).
Proses pelepasan vakum (VAR) mudah dioperasikan dan memerlukan biaya konstruksi dan operasi yang rendah dibandingkan dengan proses peleburan lainnya, sehingga sekarang proses titanium peleburan ini menjadi andalan di dunia. Aliran produksi ingot proses
VAR ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 23. Tahap Pencairan Titanium Ingot
Titanium sponge, titanium scrap, aditif, dan master alloy adalah tekan dibentuk menjadi briket dengan berat puluhan kilogram. Briket ini dilas di bawah atmosfir gas inert untuk membentuk elektroda primer berbentuk kolumnar. Elektroda primer terdiri dari beberapa puluh sampai beberapa ratus briket, tergantung ukuran ingotnya. Bahan baku dan aditif sama-sama ditimbang dan dicampur dalam masing-masing briket.
Elektroda primer dilelehkan dalam tungku VAR yang ditunjukkan pada Gambar 6. Elektroda utama titanium yang terhubung ke katoda tungku dilebur dengan busur arus langsung yang dihasilkan antara elektroda primer dan wadah tembaga berpendingin air yang terhubung ke anoda tungku. Titanium cair dipadatkan dalam lapisan dalam wadah tembaga
dua kali lagi untuk menghasilkan ingot homogen. Proses ingot VAR umumnya berbobot 4 sampai 8 ton.
Gambar 24. Tungku Titanium Ingot
Persyaratan kualitas ingot kritis adalah tidak adanya inklusi, minimisasi segregasi, dan kualitas permukaan yang baik. Inklusi terutama adalah High Density Inclusion (HDI) karena logam titik leleh yang tinggi seperti tungsten, dan Low Density Inclusions (LDIs) karena titanium nitrida. Baik HDI dan LDI dihasilkan dari zat titik lebur tinggi dan sedikit meleleh di tungku VAR dengan suhu leleh sekitar 1,800oC. HDI disebabkan oleh masuknya partikel bahan yang tidak terbakar dari mesin karbida disemen 3, obor las yang terbuat dari tungsten, dan paduan utama. LDI dapat diproduksi dengan cairan tunggal. Terutama disebabkan oleh nitrida yang terbentuk melalui kebocoran udara pada produksi spons titanium dan langkah peleburan. HDI dan LDI ini sangat keras dan rapuh dibandingkan dengan bagian ingot normal, sehingga menyebabkan retak dan cacat permukaan pada tangga tempa dan rolling. Segmentasi ingot mungkin segregasi kimia makroskopis atau segregasi metalurgi mikroskopik. Setiap
jenis memiliki efek buruk pada kekuatan mekanik. Homogenisasi krichi dan kontrol gradien komposisi elektroda primer dan kedalaman kolam cair efektif dalam mencegah pemisahan. Ketika tingkat leleh meningkat, kualitas permukaan cor meningkat, namun kedalaman kolam cair meningkat untuk mempromosikan pembentukan segregasi. Kondisi panas, atau secara bertahap mengurangi arus listrik pada tahap akhir pencairan untuk menghomogenkan ingot atas dan mengambang susun susut, harus dipilih dengan tepat.
b) Proses Electron Beam Cold Hearth Refining (EBCHR)
Proses EBCHR dikembangkan untuk tujuan memperbaiki logam lebur tinggi, seperti niobium, tantalum dan molibdenum, pada pertengahan tahun 1950an. Sekarang disorot sebagai proses peleburan untuk superalloy dan titanium. Gambar 7. secara skematis menggambarkan tungku EBCHR. Dengan pelelehan EB, berkas elektron digunakan sebagai sumber panas, dan bahan baku dilelehkan di dalam air yang didinginkan dengan air dan dituangkan ke dalam cetakan tembaga berpendingin air untuk membentuk ingot. Tungku EBCHR terbesar di dunia yang sekarang beroperasi untuk pencairan titanium memiliki output 5,4 MW.
Gambar 25. Skema tungku EBCHR
Proses EBCHR memiliki karakteristik berikut yang tidak ditemukan dalam proses VAR:
i. Langkah fabrikasi elektroda habis dapat dihilangkan, dan skrap dapat digunakan dalam jumlah besar (sampai 100%).
ii. HDI dan LDI dapat dilepas sampai tingkat tinggi.
iii. Dalam kasus titanium murni komersial, alat ingot homogen.
iv. Persegi ingot dapat dibuat dengan hasil perbaikan pada tahap tempa atau slabbing.
Ketika mencairkan paduan titanium, misalnya, vakum tinggi proses EBCHR membuat sulit untuk mengendalikan aluminium dan komponen lainnya yang cenderung menguap. Dua proses peleburan yang digunakan secara industri untuk produksi titanium tempa telah dijelaskan secara singkat di atas. Pelarangan VAR dianggap menempati posisi penting dalam mencairnya titanium sebagai teknologi dewasa. EBCHR yang mencair dengan kemampuan tinggi menghilangkan HDI dan LDI dianggap menarik perhatian yang semakin meningkat dalam aplikasi kritis seperti reaktor
nuklir dan komponen mesin pesawat terbang serta dari sudut pandang penggunaan scrap yang efektif.
H. 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 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 mineral- mineral 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 sifat- sifat dari sumber-sumber titanium.
Gambar 26.Ilmenite
Gambar 27. Rutile
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 ioda-nya.
REFERENSI
Anonim. 2007.Titanium. http://www.madehow.com/Volume-7/Titanium.html .Diakses pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 02.13 WIB.
Banerjee, Dipankar. 2013.Perspectives on Titanium Science and Technology . Acta Materialia 61.
Carp, O., Huisman, C.L and Reller, A. 2004.Photoinduced reactivity of titanium dioxide, Progress in Solid State Chemistry Vol.32, pgs. 33-177.
Clark, Jim. 2005. The Extraction of Metals - An Introduction.
http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/introduction.html . Diakses pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 19.43 WIB.
Clark, Jim. 2005. Titanium.
http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/titanium.html . Diakses pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 19.28 WIB.
Cotton, F. Albert dan Geoffrey Wilkinson. 2009. Kimia Anorganik Dasar .
Diterjemahkan oleh Sahati Suharto. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia (UI-Press).
Craig, Robert G. 2002. Restorative Dental Materials 11th ed . Mosby: St. Lois. Andersson, N. et al. (2003). "Emission spectra of TiH and TiD near 938
nm" (PDF). J. Chem. Phys. 118:
10543. Bibcode:2003JChPh.118.3543A. doi:10.1063/1.1539848 .
Krebs, Robert E. (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2nd ed.). Westport, CT: Greenwood Press. ISBN
0-313-33438-2.
Donachie, Matthew J., Jr. (1988). TITANIUM: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. p. 11. ISBN 0-87170-309-2.
"Titanium". Columbia Encyclopedia(6th ed.). New York: Columbia University Press. 2000 – 2006. ISBN 0-7876-5015-3.
