titanium dan paduannya

Buku Ajar Teknologi Bahan

129

BAB XIV

TITANIUM DAN PADUANNYA

TIK : Mahasiswa dapat menjelaskan Titanium dan paduannya

I. Pendahuluan

Titanium diberi nama Titans, yaitu laki-laki yang sangat kuat dalam mitologi

yunani. Titanium merupakan peringkat keempat dalam kerak bumi (0,86%) setelah

aluminium, besi dan magnesium.

Titanium dalam susunan periodik unsur yang memilik struktur kristal HCP dengan

densitas 4,54g/cm3. logam ini sangat mudah beraksi dengan oksigen, nitrogen, carbon dan

hidrogen. Memiliki kekuatan mekanis yang baik tetapi sulit untuk dilakukan proses

ekstraksi.

II. Uraian

14.1 Proses Ekstrasi Titanium

Dasar dari produk titanium disebut spons titanium sebab bongkahan logam yang

diekstraksi dari biji titanium utama (rutile, TiO2) memiliki porosity yang terdapat pada

spons. Biji bija titanium yang lainya seperti Ilmenite, digunakan sebagai penambahan

oleh produser spon lainnya. The Kroll proses merupakan salah satu proses yang

digunakan untuk mendapatkan titanium yang berasal dari rutile. Proses ini merupakan

sekumpulan operasi yang memerlukan pengawasan yang keras terhadapa kandungan

pengotor. Titanium sponge dapat dijadikan pelindung dari udara atmosfer. Spons

berikutnya dibersihkan dan dipadatkan kedalam elektroda untuk peleburan pada saat

pembuatan ingot. Logam titanium diproduksi dari biji sampai akhirnya menjadi ingot,

seperti diperlihatkan pada skema dibawah ini ;

Chlorination biji rutile bereaksi dengan gas klorin pada temperatur elevasi menjadi

titanium tetrachlorida (TiC4), suatu cairan tanpa warna dan gas karbon (CO,CO2),

berdasarkan reaksi dibawah ini ;

TiO2 + 2Cl2 + C TiCl4 + CO2 + Heat

TiO2+2Cl2+2CTiCl4+2CO2+Heat


130

Reaksi diatas merupakan reaksi eksoterm harus berhati-hari dalam mereaksikanya dalam

tabung reaksi untuk menghasilkan suatu produk (TiCl4) yang mendekati murni. Untuk

pemurnian TiCl4 ini dari pengotor terkadang dibutuhkan menara destilasi.

Gbr. 14.1 Kroll Proses untuk mengekstraksi Titanium

Magnesium Reduction TiCl4 dikombinasikan dengan cairan logam magnesium

didalam suatu reaktor baja dibawah kontrol atmosfer untuk membentuk logam titanium

yang ulet. Magnesium chlorida (MgCl2) merupakan elektrolit untuk menangkap kembali

gas klorin dan logam magnesium, keduanya kemudian akan direcycle kembali, reaksi

yang terjadi adalah ;

TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2

MgCl2 (dengan elektrolisa) Mg + Cl2

Purification Titanium spons ditempatkan pada tanki pembilasan dimana asam dan air

dilepaskan dari magnesiuum klorida dan sisa magnesium. Metode yang lain untuk

melepaskan pengotor dari spons adalah dengan menggunakan destilasi vacum. Produksi

spons di USSR/Rusia dan jepang dapat memproduksi spons dengan kualitas yang baik.

Kebanyakan spons di import dari USSR/Rusia.

Melting Spons titanium dapat dipadatkan sebagai unsur pokok dalam membuat

elektroda untuk memproduksi ingot, atau jika alloy diinginkan untuk dicampur dengan

unsur lain sebelum dipadatkan membentuk elektroda untuk operasi peleburan. Pencairan

dengan busur listrik merubah elektroda kedalam suatu ingot, yang mana ketika dilakukan


131

peleburan kembali menjadi ingot dalam bentuk terakhir/yang diinginkan. Metode lain

yang dipergunakan untuk membentuk primary ingot, dengan mencairkan spons,

penambahan alloy, atau scrap, dalam suatu leburan dari logam yang dihasilkan dengan

busur listrik, cara ini dipergunakan oleh beberapa produsen. Metode yang lain juga adalah

meleburkan logam yang dilakukan didalam dapur vacum untuk menghilangkan uap

pengotor seperti hidrogen dan MgCl2 sisa.

Gbr.14.2. Vacuum Arc Revining (VAR)

14.2 Titanium dan paduannya

Titanium mempunyai titik cair yang tinggi yaitu 1668oC dengan titik

tranformasi pada 882oC dari T (hcp) menjadi (bcc), 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.

14.2.1 Perlakuan panas paduan titanium

Dilihat dari struktur mikronya paduan titanium terbagi atas fasa , fasa + dan

fasa . Kepada fasa tidak dapat diadakan perlakuan panas sedangkan pada fasa dan

fasa + dapat dilakukan perlakuan panas.


132

Paduan fasa terutama mengandung Al dan Sn yang berguana setelah pelunakan

atau penganilan dan penghilangan tegangan.

Paduan titanium dapat membentu martensit dan fasa dengan pendinginan cepat

dari fasa , tetapi tidak begitu keras, yang memberikan sedikit pengaruh terhadap sifat-

sifat mekanis. Pada paduan fasa + kalau fasa lebih banyak, yang didinginkan pada air

setelah dipanaskan sampai fasa + maka + merupakan struktur yang berbentuk bulat.

Fasa yang terbentuk merupakan fasa yang metastabil, tidak langsung teruraimenjadi

+ terapi melalui suatu fasa antara yaitu , yang memiliki sifat keras dan getas, dalam

hal ini presipitasi harus dihindari. Biasanya dipanaskan lebi tinggi dari temperatur

presipitasi yang kemudian terurai menjadi fasa + yang halus. Kalau fasa lebih

banyak perlu dicelup dingin dari fasa untuk mendapatkan + yang kemudian harus

dipanaskan kembali untuk mendapatkan fasa menjadi struktur + yang halus, paduan

fasa dapat berubah menjadi martensit karena pencelupan dingin, dan fasa yang tersisa

dipanaskan ke temperatur yang lebih tinggi dari temperatur presipitasi fasa untuk

membuat presipitasi fasa yang halus.

14.2.2 Near - alloys

Suatu Near alloys telah dikembangkan dengan temperatur elevasi yang sangat

baik (T


133

Gbr. 14.3 diagram fasa biner Ti-8%Al dengan penambahan Mo,V dan struktur fasa Duplex annealed Ti-

8Al-1Mo1V berturut-turut

Tabel 14.1 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium near alloy

14.2.3 Paduan titanium fasa

Paduan Ti-5%Al-2,5%Sn adalah paduan fasa 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 dan fasa + oleh karena itu dengan proses penganilan dua tahap, keuletan pada

temperatur rendah dapat diperbaiki.


134

Gbr. 14.4 diagram fasa stabil pada Ti Alloy dan struktur mikro Ti-5%Al, 2.5%Sn dalam bentuk lembaran berturut-turut

Keberadaan sedikit jumlah dari fasa ductile di dekat alloy dapat

menguntungkan untuk heat treatmen dan kemampuan untuk ditempa. Alloy kemungkinan

mengandung beberapa elemen sebagai contoh ;

Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo

Dimana Zr dan Sn memberikan solid solution strengthening.

Tabel 14.2 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium alloy

Ti-5Al-2.5Sn wt% merupakan alloy yang banyak diketemukan dipasaran dalam

berbagai bentuk, hal ini disebabkan alloy ini stabil pada kondisi , 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.


135

Gbr. 14.5 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.

14.2.4 Paduan titanium +

Kebanyakan dari + alloy memiliki kekuatan yang tinggi dan mampu bentuk

yang baik. Dan mengandung 4-6% fasa yang stabil dan secara substansial jumlah fasa

tetap dipertahankan pada saat pencelupan dari fasa +

Paduan Ti-6%Al-4%V merupakan paduan tipikal dari jenis fasa + yang

banyak dipergunakan. Yang memiliki kekuatan pada temperatur tinggi, tetapi dibawah

150oC keuletannya akan menurun. Alloy ini jumlah hampir setengah dari produksi

titanium alloy, alloy ini 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.


136

Gbr. 14.6 Diagram fasa Ti-6Al-V dan struktur mikro Ti-6%Al-4%V daerah fasa + yang dianil(butir warna putih dan fasa warna gelap)

Tabel 14.3 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium + alloy


137

2.2.5 Paduan titanium fasa

Paduan Ti-13%V-11%Cr-3%Al merupakan salah satu dari paduan dengan fasa .

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.

Tabel 14.4 Komposisi kimia dan aplikasi dari titanium alloy

14.2.6 Titanium Aluminida

Kebanyakan aluminida dari Titanium memiliki struktur lamellar yang tersusun

dari layer-layer dari suatu hexagonal Ti3Al 2 compound dan tetragonal TiAl atau

Keuletan tarik kira-kira 4-6% pada temperature ambient. -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 berbentuk bidang close

packed yang pararel terhadap bidang basal dari 2:


138

Gbr.14.7 Tetragonal TiAl,

14.3. Proses Pembentukan Titanium

Kebanyakan titanium diproduksi secara mekanis oleh beberapa proses dibawah ini ;

14.3.1 Forging

Titanium alloy memiliki lebih tinggi aliran tegangan daripada Al alloy atau baja

oleh sebab itu disaratkan untuk menerapkan tekanan tempa yang lebih tinggi

kapasitasnya. Pada proses ini permukaan yang dihasilkan akan sangat ditentukan oleh

kepresisian dari cetakan forging tersebut. Pada pengerjaan awal dilakukan pada

temperature 150oC diatas temperature beta untuk kira-kira 28-38% regangan, tergantung

pada type alloy dan heat treatmen yang telah dilakukan sebelumnya. Yang berikut proses

deformasi dapat dilakukan pada daerah +.

14.3.2 Sheet and ring rolling

Lembaran titanium alloy biasanya dirol untuk menghindari oksidasi pada

permukaan. Setelah dilakukan hot rolling, lembaran akan di ekstrak, diratakan untuk

proses finising.Titanium alloy sebagai ring rolled untuk menghasilkan cylinder besar yang

digunakan pada casing atau bejana bertekanan.

Gbr.14.8 Hot rolled Ti baja plat digunakan dalam kondensor di pembangkit tenaga dan ring titanium yang

dirol berturut-turut


139

14.3.3 Machining

Titanium dan titanium alloy relative sulit untuk dilakukan proses pemesinan

terutama Ti alloy jika dibandingkan dengan baja dan aluminium allloy untuk semua

metode konvensional seperti pembubutan, pemotongan dan pelobangan,dsb.

Titanium memiliki konduktivitas termal yang rendah pengurangan terhadap penghilangan

panas pada permukaan benda kerja, hal ini akan menurunkan umur pakai dari perkakas,

pengelasan atau tidak memuaskan pada permukaan permukaan benda kerja perkakas.

Perkakas untuk macining sangat perlu untuk diperhatikan terutama perkakas dari karbida

maupun keramik. Untuk menghindari kehilangan permukaan yang diinginkan selama

terjadinya kerusakan pada perkakas, kerusakan ini secara terus menerus akan menurunkan

sifat mekanis khususnya fatiq.

Gbr.14.9 proses machining dan hasil machining dari titanium alloy berturut-turut

14.3.4 Poweder metalurgi

Komponen yang dibuat dengan cara powder metalurgi dibuat dengan dua cara

yaitu pengepresan dan penyinteran, sehingga menghasilkan produk yang siap

pakai/produk jadi. Proses pembuatan serbuk titanium cukuplah sulit terutama akibat

terjadinya reaksi antara titanium dengan oksigen sehingga proses pembuatan serbuknya

tergolong cukup maha.

Urutan proses meliputi ; atomisasi, penekanan dan

penyinteran dengan syarat tidak terjadi kontaminasi

dengan udara atmosfer.

Gbr. 14.10 Serbuk titanium (SEM)


140

Tugas

1. Jelaskan ciri-ciri dari material Mg

2. Jelaskan penggunaan material Mg dalam bidang teknik

3. Bagaimana caranya untuk mendapatkan material Mg yang dipergunakan sebagai

bahan tempaan.

Penutup

1. Dari uraian diatas dapatlah diambil suatu kesimpulan bahwa Mg merupakan logam

yang memilik densitas (g/cm3) 1,74 dan titik cair 650oC

2. Beberapa elemen yang sering dipergunakan pada Mg diantaranya adalah Al, Zn, Mn

dan Zr. Penambahan elemen ini umumnya bertujuan untuk meningkatkan sifat

mekanis Mg seperti kekuatan, ketahanan korosi, mampu cor dan lain sebagainya.

Daftar Pustaka

Titanium and Titanium Alloys, 1974, Millitary Handbook, MIL-HDBK-697, Wahingto D.C.

Bhadeshia, H.,K.,D.,H., Metalurgy of Titanium and its Alloy, http://www.msm.cam.ac.uk

titanium dan paduannya

Documents