Metalurgi

BAB I

PENDAHULUAN

Metalurgi adalah ilmu dan teknologi yang mempelajari logam, struktur logam, sifat-sifat logam, prose pembuatan logam, dan sebagainya.

Perhatikan beberapa contoh produk yang biasa terlihat/dipakai oleh manusia dalam kehidupan sehari-hari dibawah ini yang merupakan perkembangan dari metalurgi.

Berbagai produk tadi dibuat dengan bahan/material, proses pembuatan yang berbeda sesuai dengan fungsi masing-masing. Semua terbuat dari berbagai jenis logam, seperti aluminium, baja, besi cor, kuningan, dan lain-lain.
Apa yang mendasari bahwa komponen terbuat dari logam? Ini semuanya berkaitan dengan sifat-sifat material, yaitu sifat mekanik, fisik, kimia dan teknologi.

Apa itu logam? Berdasarkan ASM (American Society of Metals), logam didefinisikan sebagai unsur kimia yang mempunyai sifat konduktivitas panas, listrik yang baik, buram dan jika dipoles hingga mengkilap akan menjadi reflektor/pemantul cahaya yang baik. Selain itu mempunyai sifat tidak tembus cahaya dan mempunyai kekuatan dan keuletan yang baik.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Defenisi Metalurgi

            Metalurgi didefinisikan sebagai suatu ilmu yang mempelajari karakteristik /sifat/ perilaku logam, ditinjau dari sifat mekanik (kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan lelah, dsb.), fisik (konduktivitas panas, listrik, massa jenis, magnetik, optik, dsb.), kimia (ketahanan korosi, dsb.) dan teknologi (kemampuan logam untuk dibentuk, dilas/disambung, dimesin, dicor dan dikeraskan).

            Metalurgi juga didefenisikan sebagai ilmu, seni, dan teknologi yang mengkaji proses pengolahan dan perekayasaan mineral dan logam. Ruang lingkup metalurgi meliputi:

• pengolahan mineral (mineral dressing)
• ekstraksi logam dari konsentrat mineral (extractive metallurgy)
• proses produksi logam (mechanical metallurgy)
• perekayasaan sifat fisik logam (physical metallurgy)

2.2. Sejarah Metalurgi

            Sejarah ilmu metalurgi diawali dengan teknologi pengolahan hasil pertambangan. Logam yang paling dini digunakan oleh manusia tampaknya adalah emas, yang bisa ditemukan secara bebas. Sejumlah kecil emas telah ditemukan telah digunakan di gua-gua di Spanyol pada masa Paleolitikum, sekitar 40.000 SM .

Perak, tembaga, timah dan besi meteor juga dapat ditemukan bebas, dan memungkinkan pengerjaan logam dalam jumlah terbatas. Senjata Mesir yang dibuat dari besi meteor pada sekitar 3000 SM sangat dihargai sebagai "belati dari langit". Dengan pengetahuan untuk mendapatkan tembaga dan timah dengan memanaskan bebatuan, serta mengkombinasikan tembaga dan timah untuk mendapatkan logam paduan yang dinamakan sebagai perunggu, teknologi metalurgi dimulai sekitar tahun 3500 SM pada masa Zaman Perunggu.

Ekstraksi besi dari bijihnya ke dalam logam yang dapat diolah jauh lebih sulit. Proses ini tampaknya telah diciptakan oleh orang-orang Hittit pada sekitar 1200 SM, pada awal Zaman Besi. Rahasia ekstraksi dan pengolahan besi adalah faktor kunci dalam keberhasilan orang-orang Filistin.

Perkembangan historis metalurgi besi dapat ditemukan dalam berbagai budaya dan peradaban lampau. Ini mencakup kerajaan dan imperium kuno dan abad pertengahan di Timur Tengah dan Timur Dekat, Mesir kuno, dan Anatolia (Turki sekarang), Kartago, Yunani, Romawi kuno, Eropa abad pertengahan, Cina kuno dan pertengahan, India kuno dan pertengahan, Jepang kuno dan pertengahan, dan sebagainya.

Banyak penerapan, praktek dan perkakas metalurgi mungkin sudah digunakan di Cina kuno sebelum orang-orang Eropa menguasainya (seperti tanur, besi cor, baja, dan lain-lain)

Berdasar kedekatan antara metalurgi dengan pertambangan inilah maka pada awalnya pendidikan metalurgi lahir dari sekolah-sekolah pertambangan seperti pendidikan metalurgi di Colorado School of Mines.

2.3 Teknik Metalurgi

Teknik Metalurgi adalah bidang ilmu yang menggunakan prinsip-prinsip keilmuan fisika, matematika dan kimia serta proses enjiniring untuk menjelaskan secara terperinci dan mendalam fenomena-fenomena proses pengolahan mineral (termasuk pengolahan batubara), proses ekstraksi logam dan pembuatan paduan, hubungan perilaku sifat mekanik logam dengan strukturnya, fenomena-fenomena proses penguatan logam serta fenomena-fenomena kegagalan dan degradasi logam. Ketiga ilmu dasar sains digunakan dalam mengembangkan tiga sektor dasar dalam Body Knowledge Metalurgi yang meliputi Metalurgi Kimia, Metalurgi Fisika dan Engineering Proses.            

2.4 Mineral Dressing

Mineral dressing adalah pengolahan mineral secara fisik. Tujuan dari mineral dressing adalah meningkatkan kadar logam berharga dengan cara membuang bagian-bagian dari bijih yang tidak diinginkan. Secara umum, setelah proses mineral dressing akan dihasilkan tiga kategori produk.

1. Konsentrat, dimana logam-logam berharga terkumpul dan dengan demikian kadarnya menjadi tinggi.
2. Tailing, dimana bahan-bahan tidak berharga (bahan ikutan, gangue mineral) terkumpul.
3. Middling, yang merupakan bahan pertengahan antara konsentrat dan tailing.

Teknik mineral dressing bermacam-macam. Pengaplikasiannya sangat tergantung pada jenis bijih atau mineral yang akan ditingkatkan konsentrasinya. Pemilihan teknik didasarkan pada perbedaan sifat-sifat fisik dari mineral-mineral yang ada dalam bijih tersebut. Teknik-teknik yang digunakan dalam proses mineral dressing di antaranya adalah:

A. Konsentrasi gravitasi

Teknik ini memanfaatkan perbedaan berat jenis antara mineral-mineral. Mineral-mineral dipisahkan dengan peralatan yang berprinsip pada pemisahan berat jenis seperti jigging, rake classifier, spiral classifier, vibrating table, dll.

B. Flotasi

Teknik ini memanfaatkan perbedaan sifat permukaan mineral-mineral. Dengan menambahkan reagen kimia yang bisa membuat permukaan salah satu mineral menjadi hidrofil sementara bagian reagen itu sendiri memiliki sifat hidrofob, maka mineral bersangkutan dapat diangkat oleh gelembung yang ditiupkan ke permukaan untuk dipisahkan. Biasnya mineral-mineral sulfida dipisahkan dengan cara ini.

C. Magnetic Separation

Cara ini memanfaatkan sifat magnet dari mineral-mineral. Mineral yang bersifat feromagnetik dipisahkan dari mineral yang bersifat diamagnetik.

Dan teknik-teknik lainnya, seperti electric separator, dll.

 

D. Metalurgi ekstraktif

            Pada bagian mineral dressing, konsentrat yang mengandung logam berharga dipisahkan dari pengotor (gangue mineral) yang menyertainya. Sedangkan ilmu extractive metallurgy adalah untuk memisahkan logam berharga dalam konsentrat dari material lain.

2.4 Cabang – Cabang Metalurgi

Adapun cabang-cabang ilmu metalurgi antara lain sebagai berikut :

1.      Cabang pengolahan mineral dan metalurgi ekstraksi biasanya sangat ditekankan pada pendidikan metalurgi di jurusan Teknik Pertambangan.

2.      Cabang metalurgi mekanik biasanya sangat ditekankan pada pendidikan metalurgi di jurusan Teknik Mesin dan Teknik Industri.

3.      Cabang metalurgi fisik biasanya diajarkan secara merata di berbagai perguruan tinggi sebagai fundamen dari ilmu logam. Metalugi Fisik adalah pengetahuan-pengetahuan mengenai fisika dari logam-logam dan paduan-paduan umpamanya tentang sifat-sifat mekanik, sifat-sifat teknologi serta pengubahan-pengubahan sifat-sifat tersebut yang umumnya menyangkut segi-segi pengembangan atau development, pada penggunaan dan pengolahan atau teknologi logam-logam dan paduan-paduan.

4.      Cabang metalurgi serbuk menggunakan bahan serbuk logam dan non logam yang di kompaksi dalam cetakan kemudian dilakukan proses sinter.
Metalurgi serbuk Fe-Al banyak digunakan untuk industri elektronik,
permesinan dan otomotif. Pemakaian metalurgi serbuk Fe-Al dapat meningkatkan karakteristikdan sifat mekaniknya jika dibandingkan dengan pembentukan paduan Fe-Al melalui proses lainnya. Proses ini melalui tahapan penimbangan serbuk dengan komposisi Al 40%, 50% dan 60%, kemudian serbuk dikompaksi dengan variasi tekanan kompaksi 7, 8, 9 ton, setelah itu dilakukan proses sintering pada sampel dengan temperatur 400°C dan waktu tahan 120 menit. Setelah proses sintering selesai sampel
didinginkan dengan media udara dan dilakukan pengujian yang meliputi:
pengujian kekerasan dan pengamatan struktur mikro.
Dari hasil penelitian diperoleh adanya peningkatan sifat mekanik pada
komposisi serbuk Al 50% dengan tekanan 8 ton. Hal ini disebabkan
terjadinya ikatan antara atom-atom Al dan Fe yang larut membentuk fasa
FeAl3, sehingga kerapatan dan kepadatan butir semakin meningkat seiring
dengan meningkatnya kekerasan.

2.5 Struktur Logam

            A. Struktur Terjejal

            Kebanyakan kristal logam dapat dibayangkan sebagai susunan terjejal dari bola-bola yang identik. Ada dua macam susunan terjejal yaitu:

1.      Heksagonal Terjejal (Hexagonal Close-packed, kcp)

2.      Kubus Terjejal (Cubic Close-packed, ccp)

Pada setiap lapisan terjejal dari kedua susunan ini, setiap atom atau bola bersinggungan dengan 6 atom. Dengan demikian, setiap bola akan dikelilingi oleh 12 bola, 6 bola di lapisannya sendiri, 3 bola di lapisan atas, dan 3 bola di lapisan bawah. Oleh karena itu, bilangan koordinasinya adalah 12.

Cara penjejalan pada lapisan terjejal yaitu :

1.      Lapisan pertama, setiap atom dikelilingi oleh 6 atom.

2.      Lapisan kedua, menempati rongga di atas lapisan pertama. Ada 2 macam kelompok rongga yang ekivalen.

3.      Lapisan ketiga berada di atas rongga atau di atas atom.

B. Struktur Kubus Berpusat Muka (fcc)

Pada susunan ini, atom atau bola tidak terjejal. Setiap bola mempunyai bilangan koordinasi 8. 4 di lapisan atas, dan 4 di lapisan bawah. Dalam kubus berpusat muka terdapat dua kedudukan atom yang berbeda. 8 atom terdapat di pojok, 6 atom masing – masing terletak di setiap muka. Atom ini dibagi oleh dua sel satuan dengan jumlah atom dalam setiap sel satuan yaitu empat atom. Atom bersentuhan setiap diagonal muka.

C. Struktur Kubus Berpusat Badan (bcc)

Terdapat delapan atom di pojok – pojok. Setiap atom dimiliki oleh 8 kubus. Terdapat 1 atom di tengah – tengah, yang dimiliki oleh sel satuan tersebut tanpa dibagi dengan sel satuan lain. Jumlah atom di setiap sel adalah dua atom. Ke delapan atom di pojok bersentuhan dengan atom di pusat badan.

D. Struktur Kubus Sederhana (hcp)

Setiap pojok terdapat satu atom. Hanya seperdelapan atom saja yang termasuk, 7/8 lainnya terbagi dalam 7 sel satuan lain yang bertemu di pojok tersebut. Jumlah atom dalam setiap sel satuan adalah satu atom. Panjang rusuk dua kali jari – jari atom. Pojok satuan sel adalah titik pusat atom.

Tabel Struktur Logam

FCC(CCP)	HCP	BCC
Ca, Fe, Cu, Sr, Co, Ag, Sc, Ni, Au, Rh, Pt	Be, Ti, Mg, Zr, Sr, No	Li, Cr, Na, K, Ba, Cs, U, Ta, V

            Pengolahan Logam

      Berikut beberapa contoh pengolahan logam antara lain :

1.      Besi

Pengolahan biji besi menjadi logam besi berlangsung dalam suatu tungku besar yang disebut tanur sembur ( blast furnace). Bahan –bahan yang dimasukkan kedalam tanur terdiri atas 3 macam :

a.       Bijih besi, Fe^­­₂O₃, yang dikotori pasir, SiO₂

b.      Karbon ( kokas ), sebagai zat pereduksi,

c.       Batu kapur, CaCO₃ untuk mengikat kotoran pasir

Udara panas dengan suhu diatas 1000^o C disemburkan ke dalam tanur. Pada suhu tinggi karbon akan teroksidasi menjadi CO, kemudian karbon dan CO mereduksi bijih besi menjadi logam besi.

2C + O₂           → 2CO

Fe^­­₂O₃ + 3C      → 2Fe + 3CO

Fe^­­₂O₃ + 3CO   → 2Fe + 3CO₂

Suhu tinggi juga menguraikan batu kapur menjadi CaO, dan kemudian bereaksi dengan pasir menghasilkan kalsium silikat, CaSiO₃.

CaCO₃                 → CaO + CO₂

CaO + SiO₂     → CaSiO₃

Kalsium silikat dapat dipakai sebagai bahn baku semen atau sebagai lapisan dasar rel kereta api.

Besi tuang dapat diolah lebih lanjut menjadi baja, yaitu besi yang mengandung 0,5 % - 1,5 % karbon. Pembuatan baja dilakukan dengan mengoksida semua zat mengotor pada besi tuang kemudian menambahkan karbon sampai kadar yang diinginkan. Dibandingkan dengan besi biasa, baja lebih keras dan elastis. Agar lebih mengkilat dan tahan karat dicampurkan logam krom dan nikel. Sebagai contoh, baja stainless merupakan campuran dari 72 % besi,19% krom dan 9 % nikel.

2.      Aluminium

Bijih-bijih aluminium yang utama adalah bauksit (Al₂O_3.2H₂O), mika (K-Mg-Al-Silikat), dan tanah liat (Al₂Si₂O_7.2H₂O).

            Pengolahan bijih bauksit (Al₂O_3.2H₂O) menjadi logam aluminium terdiri dari 2 tahap yaitu :

a.       Pemurnian bauksit dari zat-zat pengotor terutama Fe₂O₃ dan SiO₂.

b.      Elektrolisis leburan bauksit murni, dengan menggunakan karbon dan ion Al³⁺ direduksi menjadi aluminium.

2Al₂O₃ + 3C → 4Al +3CO₂

3.      Timah

Logam timah diperoleh dengan mereduksi bijih SnO₂ dengan karbon pada suhu 1200⁰C.

                        2 SnO + C→ 2Sn + CO₂

4.      Nikel

Pada pembuatan nikel, bijih nya dipanggang menjadi NiO, lalu direaksikan dengan campuran gas hydrogen dan karbon monoksida. Ion Ni²⁺ akan mengalami reduksi menjadi logam nikel.

                        2NiO + H₂ + CO → 2Ni + H₂O + CO₂

5.      Tembaga

Tembaga dialam terdapat sebagai unsure bebas dan sebagai bijih sulfide kalkopirit,CuS.Fe₂S₃. bijih ini juga mengandung emas dan perak dalam kadar yang lumayan. Dengan memanggang dan melelehkan bijih, kita memperoleh logam tembaga.

                        CuS.Fe₂S₃ + 5 O₂ → 2Cu + 2FeO +4SO₂

6.      Perak

Pada kulit bumi, perak terdapat dalam unsure bebas yang bercampur dalam dengan emas dan tembaga, disamping sebagai bijih argentit (Ag₂S).

Campuran atau bijihnya dilarutkan dalam larutan Natrium Sianida kemudian direduksi dengan seng untuk mendapatkan logam perak yang murni.

            4Ag + 8NaCN + O₂ + 2H₂O → 4NaAg (CN)₂ + 4NaOH

            2 Ag₂S + 8NaCN + O₂ + 2H₂O → 4NaAg (CN)₂ + 4NaOH + 2S

            2NaAg (CN)₂ + Zn→2Ag + Na₂Zn(CN)₄

2.7. Sifat Logam

     

Nama Logam	Sifat
Aluminium	Ringan, keras, mengkilap, tidak beracun,mudah ditempah dan direntangkan.
Tembaga	Berwarna merah, konduktor yang sangat prima untuk listrik dan panas.
Perak	Memiliki daya hantar listrik yang paling baik, tidak teroksidasi oleh udara dan tidak bereaksi dengan asam (kecuali HNO3 yang mampu mengoksidasi perak).

2.8. Kristal Logam

            Gambaran yang paling sederhana dari sebuah kristal logam adalah mempunyai ion positif (inti ditambah elektron) yang terletak pada titik – titik kisi dengan elektron valensi kristal tersebut secara keseluruhan, bukannya hanya untuk satu atom, zat padat terikat satu sama lain karena adanya gaya tarik menarik elektrostatik antara kisi ion positif ndengan semacam lautan elektron. Elektron ini dapat bergerak bebas, sehingga logam merupakan konduktor listrik yang baik.

            Karena titik leleh kekerasan logam sangat beragam, maka seharusnya tingkatan ikatan kovalen antara atom – atomnya di dalam zat padat.

BAB III

KESIMPULAN

·         Metalurgi adalah ilmu dan teknologi yang mempelajari logam, struktur logam, sifat-sifat logam, prose pembuatan logam, dan sebagainya.

·         Teknik Metalurgi adalah bidang ilmu yang menggunakan prinsip-prinsip keilmuan fisika, matematika dan kimia serta proses enjiniring untuk menjelaskan secara terperinci dan mendalam fenomena-fenomena proses pengolahan mineral (termasuk pengolahan batubara), proses ekstraksi logam dan pembuatan paduan, hubungan perilaku sifat mekanik logam dengan strukturnya, fenomena-fenomena proses penguatan logam serta fenomena-fenomena kegagalan dan degradasi logam.

·         Mineral dressing adalah pengolahan mineral secara fisik

·         Cabang-cabang ilmu metalurgi antara lain sebagai berikut : Cabang pengolahan mineral dan metalurgi ekstraksi, Cabang metalurgi mekanik, Cabang metalurgi fisik, dan Cabang metalurgi serbuk.

·         Struktur Logam terdiri dari Struktur Terjejal, Struktur Kubus Berpusat Muka (fcc), Struktur Kubus Berpusat Badan (bcc), Struktur Kubus Sederhana (hcp).

·         Gambaran yang paling sederhana dari sebuah kristal logam adalah mempunyai ion positif (inti ditambah elektron) yang terletak pada titik – titik kisi dengan elektron valensi kristal tersebut secara keseluruhan, bukannya hanya untuk satu atom, zat padat terikat satu sama lain karena adanya gaya tarik menarik elektrostatik antara kisi ion positif ndengan semacam lautan elektron.