ALUMINIUM (Al) dan PADUANNYA
Tugas Mata Kuliah Pengetahuan Bahan TI. 2306
Disusun oleh :
Rahmad Faisal 1510631140115 Syifa Fauziah 1510631140132 Wasis Sakti Nugroho 1510631140139 Yudha Pratama Adinegoro 1510631140143 Yudi Susanto 1510631140144 Zanuar Gilang Ramadhan 1510631140145
PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SINGAPERBANGSA KARAWANG
2015
1.
Pengertian Aluminium
Aluminium ialah salah satu unsur kimia dengan lambang Al dan nomor atom 13.
Aluminium adalah logam berwarna putih keperakan yang lunak. Aluminium ditemukan oleh Sir Humprey Davy dalam tahun 1809 sebagai suatu unsur, dan pertama kali direduksi sebagai logam oleh H. C. Oersted, tahun 1825. Secara industri Paul Heroult di perancis dan C. M.
Hall di Amerika Serrikat secara terpisah telah memperoleh logam aluminum dari alumina dengan cara elektrolisa dari garamnya yang terfusi. Sampai sekarang proses Heroult Hal masih dipakai untuk memproduksi aluminium.
Aluminium adalah logam yang paling banyak terdapat di kerak bumi, dan unsur ketiga terbanyak setelah oksigen dan silikon. Aluminium terdapat di kerak bumi sebanyak kira-kira 8,07%
hingga 8,23% dari seluruh massa padat dari kerak bumi, dengan produksi tahunan dunia sekitar 30 juta ton pertahun dalam bentuk bauksit dan bebatuan lain (corrundum, gibbsite, boehmite, diaspore, dan lain-lain). Sulit menemukan aluminium murni di alam karena aluminium merupakan logam yang cukup reaktif.
Aluminium bukan merupakan jenis logam berat. Aluminium biasa terdapat pada aditif makanan, knalpot, rangka sepeda, peralatan makananan dan aksesoris lainnya. Aluminium digunakan dalam kabel bertegangan tinggi. Juga secara luas digunakan dalam bingkai jendela dan badan pesawat terbang. Aluminium merupakan unsur yang sangat reaktif sehingga mudah teroksidasi. Karena sifat kereaktifannya maka Aluminium tidak ditemukan di alam dalam bentuk unsur melainkan dalam bentuk senyawa baik dalam bentuk oksida alumina maupun silikon. Bahan dasar pembuatan Aluminium adalah bauksit (biji Aluminium) yang kemudian di ubah menjadi Alumina. Alumina inilah yang akan dielektrolisa membentuk Aluminium ingot. Biji Aluminium biasanya berupa senyawa oksida berupa Bayerit, Gibbsit atau hidrargilat (Al2O3.3H2O), bohmit dan diaspor yang tidak larut dalam air. Sumber lain dari bijih bauksit adalah, Nephelin ((NaK)2O.Al2O3.SiO2), Alunit (K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3), Kaolin & Clay (Al2O3.2SiO2.2H2O)
Aluminium merupakan unsur yang tergolong melimpah di kulit bumi. Mineral yang menjadi sumber komersial aluminium adalah bauksit. Bauksit mengandung aluminium dalam bentuk aluminium oksida (Al2O3). Bauksit (AL2O3.2H2O) bersistem octahedral terdiri dari 35-65% Al2O3, 2-10% SiO2, 2-20% Fe2O3, 1-3%TiO2 dan 10-30% air. Bauksit terbentuk
dari batuan yang mempunyai kadar aluminum tinggi, kadar Fe rendah dan sedikit kadar kuarsa bebas. Secara garis besar komersial bauksit terdiri dalam tiga bentuk:
1. Pissolitic atau oolitic.
2. Sponge Ora, dan 3. Amorphorus.
2. Sumber Aluminium
Aluminium merupakan logam yang paling banyak ditemukan di kerak bumi (8.1%), tetapi tidak pernah ditemukan secara bebas di alam. Selain pada mineral yang telah disebut di atas, ia juga ditemukan di granit dan mineral-mineral lainnya. Aluminium ada di alam dalam bentuk silikat maupun oksida, yaitu antara lain:
· sebagai silikat misal feldspar, tanah liat, mika
· sebagai oksida anhidrat misal kurondum (untuk amril)
· sebagai hidrat misal bauksit
· sebagai florida misal kriolit.
3. Karateristik Aluminium
Aluminium memiliki karakteristik sebagai berikut:
1. Ringan: memiliki bobot sekitar 1/3 dari bobot besi dan baja atau tembaga. Berat jenisnya ringan hanya 2.7 gr/cm3 , sedangkan besi ± 8.1 gr/cm3
2. Kuat: terutama bila dipadukan dengan logam lain. Paduan Al dengan logam lainnya menghadilkan logam yang kuat
3. Reflektif: dalam bentuk aluminium foil digunakan sebagai pembungkus makanan, obat, rokok
4. Konduktor panas: Sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada mesin – mesin / alat – alat pemindah panas sehingga dapat memberikan penghematan energi
5. Konduktor listrik: setiap satu kilogram aluminium dapat menghantarkan arus listrik dua kali lebih besar jika dibanding dengan tembaga
6. Tahan korosi: sifatnya durable sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang dipengaruhi oleh unsur – unsur seperti air, udara, suhu, dan unsur – unsur kimia lainnya, baik diruang angakasa bahkan sampai ke dasar laut.
7. Tak beracun: Sangat baik untuk penggunaan pada industry makanan, minuman dan obat – obatan yaitu untuk peti kemas dan pembungkus.
Aluminium murni atau aluminium 99% tanpa tambahan logam paduan apapun dan dicetak dalam keadaan biasa, hanya memiliki kekuatan tensil sebesar 90 MPa, terlalu lunak untuk penggunaan yang luas sehingga seringkali aluminium dipadukan dengan logam lain.
Pada aluminium paduan Elemen paduan yang umum digunakan pada aluminium adalah silikon, magnesium, tembaga, seng, mangan, dan juga lithium sebelum tahun 1970. Secara umum, penambahan logam paduan hingga konsentrasi tertentu akan meningkatkan kekuatan tensil dan kekerasan, serta menurunkan titik lebur. Jika melebihi konsentrasi tersebut, umumnya titik lebur akan naik disertai meningkatnya kerapuhan akibat terbentuknya senyawa, kristal, atau granula dalam logam. Namun, kekuatan bahan paduan aluminium tidak hanya bergantung pada konsentrasi logam paduannya saja, tetapi juga bagaimana proses perlakuannya hingga aluminium siap digunakan, apakah dengan penempaan, perlakuan panas, penyimpanan, dan sebagainya.
4.Sifat-Sifat Aluminium
Sifat-sifat penting yang dimiliki aluminium sehingga banyak digunakan sebagai material teknik adalah sebagai berikut:
a. Berat jenisnya ringan (hanya 2,7 gr/cm³, sedangkan besi ± 8,1 gr/ cm³)
b. Tahan korosi
Sifat bahan korosi dari aluminium diperoleh karena terbentuknya lapisan aluminium oksida (Al2O3) pada permukaan aluminium (fenomena pasivasi). Pasivasi adalah pembentukan lapisan pelindung akibat reaksi logam terhadap komponen udara sehingga lapisan tersebut melindungi lapisan dalam logam dari korosi. Lapisan ini membuat Al tahan korosi tetapi sekaligus sukar dilas, karena perbedaan melting point (titik lebur).
c. Penghantar listrik dan panas yang baik
Aluminium juga merupakan konduktor panas dan elektrik yang baik. Jika dibandingkan dengan massanya, aluminium memiliki keunggulan dibandingkan dengan tembaga, yang saat ini merupakan logam konduktor panas dan listrik yang cukup baik, namun cukup berat.
d. Mudah di fabrikasi/ditempa
Sifat lain yang menguntungkan dari aluminium adalah sangat mudah difabrikasi, dapat dituang (dicor) dengan cara penuangan apapun. Dapat deforming dengan cara: rolling, drawing, forging, extrusi dll. Menjadi bentuk yang rumit sekalipun.
e. Kekuatannya rendah tetapi pemaduan (alloying) kekuatannya bisa ditingkatkan. Kekuatan dan kekerasan aluminium tidak begitu tinggi dengan pemaduan dan heat treatment dapat ditingkatkan kekuatan dan kekerasannya.
f. Kekuatan mekanik meningkat dengan penambahan Cu, Mg, Si, Mn, Zn, dan Ni.
g. Sifat elastisnya yang sangat rendah, hampir tidak dapat diperbaiki baik dengan pemaduan
maupun dengan heat treatment.
Sifat-sifat fisik dan mekanik
Sifat mekanik lain
Sifat mekanik bahan aluminium murni dan aluminium paduan dipengaruhi oleh konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut.
Aluminium terkenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh fenomena pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan aluminium oksida di permukaan logam aluminium segera setelah logam terpapar oleh udara bebas. Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi aluminium.
Kekuatan tensil
Kekuatan tensil adalah besar tegangan yang didapatkan ketika dilakukan pengujian tensil. Kekuatan tensil ditunjukkan oleh nilai tertinggi dari tegangan pada kurva tegangan- regangan hasil pengujian, dan biasanya terjadi ketika terjadinya necking. Kekuatan tensil bukanlah ukuran kekuatan yang sebenarnya dapat terjadi di lapangan, namun dapat dijadikan sebagai suatu acuan terhadap kekuatan bahan.
Kekuatan tensil pada aluminium murni pada berbagai perlakuan umumnya sangat rendah, yaitu sekitar 90 MPa, sehingga untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan tensil yang tinggi, aluminium perlu dipadukan. Dengan dipadukan dengan logam lain, ditambah
dengan berbagai perlakuan termal, aluminium paduan akan memiliki kekuatan tensil hingga 580 MPa (paduan 7075).
Kekerasan
Kekerasan gabungan dari berbagai sifat yang terdapat dalam suatu bahan yang mencegah terjadinya suatu deformasi terhadap bahan tersebut ketika diaplikasikan suatu gaya. Kekerasan suatu bahan dipengaruhi oleh elastisitas, plastisitas, viskoelastisitas, kekuatan tensil, ductility, dan sebagainya. Kekerasan dapat diuji dan diukur dengan berbagai metode. Yang paling umum adalah metode Brinnel, Vickers, Mohs, dan Rockwell.
Kekerasan bahan aluminium murni sangatlah kecil, yaitu sekitar 65 skala Brinnel, sehingga dengan sedikit gaya saja dapat mengubah bentuk logam. Untuk kebutuhan aplikasi yang membutuhkan kekerasan, aluminium perlu dipadukan dengan logam lain dan/atau diberi perlakuan termal atau fisik. Aluminium dengan 4,4% Cu dan diperlakukan quenching, lalu disimpan pada temperatur tinggi dapat memiliki tingkat kekerasan Brinnel sebesar 135.
Ductility
Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis tanpa terjadinya retakan. Dalam suatu pengujian tensil, ductility ditunjukkan dengan bentuk neckingnya; material dengan ductility yang tinggi akan mengalami necking yang sangat sempit, sedangkan bahan yang memiliki ductility rendah, hampir tidak mengalami necking. Sedangkan dalam hasil pengujian tensil, ductility diukur dengan skala yang disebut elongasi. Elongasi adalah seberapa besar pertambahan panjang suatu bahan ketika dilakukan uji kekuatan tensil.
Elongasi ditulis dalam persentase pertambahan panjang per panjang awal bahan yang diujikan.
Aluminium murni memiliki ductility yang tinggi. Aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari pada aluminium murni, karena ductility berbanding terbalik dengan kekuatan tensil, serta hampir semua aluminum paduan memiliki kekuatan tensil yang lebih tinggi dari pada aluminium murni.
Sifat Kimia
a) Serbuk alumunium dipanaskan dalam uap air menghasilkan hidrogen dan alumunium oksida. Reaksinya berlangsung relatif lambat karena adanya lapisan alumunium oksida pada logamnya, membentuk oksida yang lebih banyak selama reaksi.
b) Alumunium akan terbakar dalam oksigen jika bentuknya serbuk, sebaliknya lapisan oksidanya yang kuat pada alumunium cenderung menghambat reaksi.
Jika kita taburkan serbuk alumunium ke dalam nyala bunsen, maka akan kita dapatkan percikan. Alumunium oksida yang berwana putih akan terbentuk.
c) Alumunium seringkali bereaksi dengan klor dengan melewatkan klor kering di atas alumunium foil yang dipanaskan sepanjang tabung. Alumunium terbakar dalam aliran klor menghasilkan alumunium klorida yang kuning sangat pucat. Alumunium klorida ini dapat menyublim (berubah dari padatan ke gas dan kembali lagi) dan terkumpul di bagian bawah tabung saat didinginkan.
5. Proses Pembuatan Aluminium
Sebelum menjadi Aluminium. Bijih bauksit melewati proses fisika dan kimia. Proses fisika dilakukan dengan cara mereduksi ukuran bijih bauksit (size reduction) yang akan dijadikan feed dengan cara digerus sampai berukuran kurang dari 35 mesh. Kemudian proses kimia dengan menambahkan bahan kimia tertentu untuk mendapatkan aluminium murni.
Proses pembuatan aluminium dibagi menjadi 3 tahap besar yaitu:
1.1 Proses Penambangan
Aluminium didapatkan dari bijih bauksit yang ditambah terlebih dahulu. Pada tahap awal di lakukan land clearing. Land clearing bertujuan untuk membersihkan tumbuhan – tumbuhan yang terdapat diatas permukaan endapan bijih bauksit. Lapisan bijih bauksit kemudian digali dengan shovel loader yang sekaligus memuat bijih bauksit tersebut kedalam dump truck untuk diangkut ke instalansi pencucian. Bijih bauksit dari tambang dilakukan pencucian dimaksudkan untuk meningkatkan kualitasnya dengan cara mencuci dan memisahkan bijih bauksit tersebut dari unsur lain yang tidak diinginkan, misal kuarsa, lempung dan pengotor lainnya. Partikel yang halus ini dapat dibebaskan dari yang besar melalui pancaran air (water jet) yang kemudian dibebaskan melalui
penyaringan (screening). Disamping itu sekaligus melakukan proses pemecahan (size reduction) dengan menggunakan jaw crusher.
1.2 Proses Pemurnian (Bayer Cycle)
Setelah proses penambangan, Bijih bauksit dimurnikan dengan menggunakan proses Bayer Cycle. Ada 2 macam produk alumina yang bisa dihasilkan yaitu Smelter Grade Alumina (SGA) dan Chemical Grade Alumina (CGA). 90% pengolahan bijih bauksit di dunia ini dilakukan untuk menghasilkan Smelter Grade Alumina yang bisa dilanjutkan untuk menghasilkan Al murni. Pada proses ini terdapat 4 tahap besar pemurnian, yaitu:
1. Digestion
Pertama, bijih bauksit secara mekanik hancur. Kemudian, bijih dihancurkan dicampur dengan soda kaustik dan diproses di pabrik penggilingan untuk menghasilkan bubur (suspensi berair) yang mengandung partikel sangat halus dari bijih. Kemudian bubur ini dipompa ke digester, tangki yang berfungsi seperti pressure cooker. Bubur dipanaskan sampai 230-520° F (110-270° C) di bawah tekanan dari 50 lb / in2 (340 kPa). Kondisi ini dipertahankan untuk waktu mulai dari setengah jam untuk beberapa jam. Soda api tambahan dapat ditambahkan untuk memastikan bahwa semua aluminium yang mengandung senyawa dilarutkan. Kemudian Bubur panas, yang sekarang menjadi larutan natrium aluminat, melewati serangkaian tangki flash yang mengurangi tekanan dan kembali panas yang dapat digunakan kembali dalam proses pemurnian.
2. Clarification
Pengotor tak larut (RM) yang terdapat dalam suspensi kemudian dipisahkan dengan menyaring dari kotoran padat, selanjutnya didinginkan di heat exchangers, untuk meningkatkan derajat jenuh dari alumina terlarut, dan dipompa menuju tempat yang lebih tinggi yaitu presipitator silolike untuk proses precipitation (pengendapan).
3. Precipitation
Selanjutnya aluminium diendapkan dari filtratnya dengan cara mengalirkan gas CO2 dan pengenceran. Reaksi yang terjadi:
2NaAl(OH)3 (aq) + CO2 (g) 2Al(OH)3 (s) + Na2CO3 (aq) + H2O (l)
Campuran dari kotoran padat disebut RM, Selanjutnya, larutan hidroksida didinginkan, dan aluminium hidroksida dilarutkan presipitat dengan fasa putih solid halus.
4. Calcination
Kemudian dipanaskan sampai 1050 °C (dikalsinasi), aluminium hidroksida terurai menjadi alumina, memancarkan uap air dalam proses. Reaksi yang terjadi:
2Al(OH)3(s) Al2O3 (s) + 3H2O (g)
Dan dihasilkan aluminium oksida murni (Al2O3) yang selanjutnya menuju proses peleburan dengan proses Hall-Héroult untuk menghasilkan material aluminium.
1.3 Proses Peleburan (Hall – Heroult)
Proses Hall-Heroult didasarkan pada prinsip elektrolisa lelehan garam alumina pada temperatur tinggi (2050o C). Lelehan garam alumina merupakan campuran alumina (Al2O3) dengan kryolite (Na3AlF6) dengan titik leleh 1010o C. Bejana yang diperlukan dalam proses peleburan alumunium dengan proses Hall-Heroult disebut bejana sel elektrolisa rectangular yang mempunyai dua elektroda, yaitu anoda (elektroda positif) dan katoda (elektroda negatif). Dalam proses Hall-Heroult, aluminum oksida Al2O3
dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam bejana baja berlapis grafit yang sekaligus berfungsi sebagai katode (-). Sebagai anode (+) digunakan batang grafit.
Selanjutnya elektrolisis dilakukan pada suhu 950 oC. Dalam proses elektrolisis dihasilkan aluminium di katode dan di anode terbentuk gas O2 dan CO2. Dalam proses Hall-Heroult, aluminum oksida Al2O3 dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam bejana baja berlapis grafit yang sekaligus berfungsi sebagai katode (-). Sebagai anode (+) digunakan batang grafit. Selanjutnya elektrolisis dilakukan pada suhu 950 oC. Dalam proses elektrolisis dihasilkan aluminium di katode dan di anode terbentuk gas O2 dan CO2. Bahan utama lain yang digunakan dalam operasi peleburan adalah karbon. Elektroda karbon mengirimkan arus listrik melalui elektrolit. Selama operasi peleburan, beberapa karbon dikonsumsi karena menggabungkan dengan oksigen untuk membentuk karbon dioksida. Bahkan, sekitar setengah pon (0.2 kg) karbon digunakan untuk setiap pon (2.2 kg) dari aluminium yang dihasilkan. Beberapa karbon yang digunakan dalam peleburan aluminium adalah produk sampingan dari penyulingan minyak, karbon tambahan diperoleh dari batubara.
