MAKALAH TITANIUM DAN PADUANNYA
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis penjatkan kehadirat Allah SWT, yang atas rahmat-Nya maka penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah yang berjudul Titanium dan paduannya dengan baik. Makalah yang kami susun ini diharapkan dapat memberikan pengetahuan kepada para pembaca tentang titanium dan paduannya dimana material tersebut sangat berguna b erguna bagi berbagai berba gai apikasi kehidupan. Mempelajari tentang karakteristik ka rakteristik khusus dari material tersebut meliputi sifatsifat , paduan, proses pembuatan tentunya akan membuat pemahaman akan material tersebut akan semakin baik. Dalam penulisan makalah ini penulis merasa masih banyak kekurangan-kekurangan baik pada teknis penulisan p enulisan maupun materi, mengingat aka n kemampuan yang dimiliki penulis. Untuk itu kritik dan saran dari semua pihak sangat penulis harapkan demi penyempurnaan pembuatan makalah ini. Akhir kata, kami sampaikan terima kasih kepada semua pihak yang telah berperan serta dalam penyusunan Makalah ini dari awal sampai akhir. Semoga Allah SWT senantiasa meridhai segala usaha kita. Amin.
Surabaya, 07 Januari 2015
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI Bab I : Pendahuluan 1.1 Latar belakang ………………………………………………………… 1.2 Permasalahan …………………………………………………………. 1.3 Tujuan …………………………………………………………………
1 1 1
Bab II : Titanium dan Paduannya 2.1 Sejarah ………………………………………………………………… 2.2 Pengertian ……………………………………………………………... 2.3 Sumber Titanium ……………………………………………………… 2.4 Sifat – Sifat Titanium …………………………………………………. 2.5 Proses Pembuatan ……………………………………………………... 2.6 Paduan Titanium ………………………………………………………. 2.7 Aplikasi Titanium ……………………………………………………...
3 3 4 6 10 12 18
Bab III: Penutup 3.1 Kesimpulan …………………………………………………………….
22
DAFTAR PUSTAKA
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Titanium adalah logam berlimpah nomor empat di dunia setelah aluminium, besi, dan magnesium. Selain itu, titanium juga merupakan e lemen berlimpah kesembilan (mencakup 0,63% pada kerak bumi) ditemukan pada tahun 1791 di Inggris oleh Reverend William Gregor, yang diberi nama sebagai ilmenite. Elemen ini ditemukan kembali beberapa tahun kemudian oleh German Chemist Heinrich Klaporth dalam bentuk rutile. Logam titanium tidak pernah ditemukan sendirian, keberadaannya selalu berikatan dengan mineral lainnya seperti rutile, ilmenite, leucoxene, anatase, brookite, perovskite, dan sphene yang ditemukan dalam titanat dan beberapa besi ore. Titanium juga ditemukan dalam batu bara, abu, tanaman dan dalam tubuh manusia (O. Carp, 2004). Material yang mengandung titanium dan paling banyak ada di bumi dan paling sering dimanfaatkan oleh manusia adalah rutile dan anatase. Rutile adalah bentuk paling stabil dari titania dan paling banyak ditemukan pada sumber titanium. Titanium dioksida dapat dibuat da ri bahan-bahan alam yang ada di alam, umumnya berasal dari ilminate yang berasal dari China, Norwegia, Uni Soviet (pasir), Australia (pasir), Kanada dan Afrika selatan (pasir) (O. Carp, 2004). Titania dapat diaplikasikan sebagai bah an fotokatalisis, sensor gas, pembersih polutan yang ada di udara, tanah dan air, sebagai bahan campuran cat agar tahan korosi, pelapis alat-alat dibidang kedokteran, kosmetik, sel surya, penyerap gelombang elektromagnetik dan lain-lain. Permasalahan
1.2
Dalam memahami tentang bahan titanium dan molibdenum ini terdapat beberapa aspek permasalahan yang akan dibahas pada makalah ini yaitu sebagai berikut : 1. Sejarah dan pengertian serta sumber dari titanium dan paduannya 2. Proses Pembuatan Titanium dan paduannya beserta aplikasinya. 3. Klasifikasi paduan Titanium dan Paduannya 1.3
Tujuan
Makalah tentang bahan Titanium dan Paduannya ini bertujuan untuk: 1.
Mengetahui dan memahami sifat-sifat dari Titanium dan Paduannya meliputi sifat fisik, sifat kimia dan sifat mekanik.
2. Mengetahui dan memahami proses pembuatan Titanium dan paduannya. 3. Mengetahui aplikasi dari Titanium dan paduannya dalam berbagai aspek.
4. Mengetahui paduan-paduan (alloy) dari Titanium
BAB II TITANIUM DAN PADUANNYA 2.1
Sejarah
Titanium pertama kali ditemukan dalam mineral di Cornwall, Inggris, tahun 1791 oleh geolog amatir dan pendeta William Gregor kemudian oleh pendeta Kredo paroki. Ia mengenali adanya unsur baru dalam ilmenite ketika ia menemukan pasir hitam sungai di dekat paroki dari Manaccan dan melihat pasir tertarik oleh magnet. Analisis terhadap pasir tersebut menunjukkan adanya kehadiran dua oksida logam, yaitu besi oksida (menjelaskan daya tarik magnet) dan 45,25% dari metalik putih oksida yang pada saat itu belum dapat dipastikan jenisnya. Gregor yang menyadari bahwa unsur tak dikenal yang mengandung oksida logam tersebut tidak memiliki kesamaan dengan sifat-sifat dari unsur yang telah lebih awal dikatahui, melaporkan penemuannya kepada Royal Geological Society of Cor nwall dan di jurnal ilmiah Jerman Crell’s Annalen. Pada waktu yang hampir bersamaan, Franz-Joseph Müller von Reichenstein menghasilkan substansi yang serupa, tetapi tidak dapat mengidentifikasi unsur tersebut. Oksida secara independen ditemukan kembali pada tahun 1795 oleh Jerman kimiawan Martin Heinrich Klaproth di dalam rutil dari Hungaria. Klaproth menemukan bahwa hal itu berisi unsur baru dan menamakannya Titan yang merupakan nama dewa matahari dari mitologi Yunani. Setelah mendengar tentang penemuan Gregor sebelumnya, ia memperoleh sampel manaccanite yang di dalamnya terdapat titanium.
2.2
Pengertian
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; Ti-46 sampai Ti-50 dengan Ti-48 yang paling banyak terdapat di alam (73,8). 2.3
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 olehUnited 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 menun jukkan 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 90.00 0
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. Kategori
Mineral
Rumus Kimia
Titanium dioksida (TiO2)
Warna
Abu-abu,coklat,ungu atau hitam
Bentuk Kristal
Segi Empat
Skala kekerasan Mohs
5,5-6,5
Berat jenis (g/cm3)
4,23-5,5
Kelarutan
Tidak larut dalam asam
Tabel 1.Sifat Rutile Rumus kimia
FeTiO 3 FeTiO3
Bentuk kristal
trigonal trigonal
Warna
schwarz, stahlgrau hitam
Skala kekerasan Mohs
5 bis 5 5-5
(g/cm³) Berat Jenis (g / cm ³)
4,5 bis 5 4,5-5
Tabel 2.Sifat I lmenit Warna
hijau, kuning, putih, coklat atau hitam
Bentuk Kristal
Monoklinik
Berat jenis (g/cm3)
3,3 - 3,6
Specific Gravity is 3.3 - 3.6Tabel 3.Sifat Sphene
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 iodanya
2.4
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.
2.4.1
Sifat Fisik Titanium bersifat paramagnetik (lemah tertarik dengan magnet) dan memiliki
konduktivitas listrik dan konduktivitas termal yang cukup rendah. Sifat Fisik
Keterangan
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)
Titik didih
3560 K(32870C, 59490F)
Kalor peleburan
14,15 kJ/mol
Kalor penguapan
425 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
5090 m/s
kamar)
Tabel 4.Sifat-Si fat F isik Titanium
Tekanan Uap
2.4.2
P (Pa)
1
10
100
1k
10k
100k
T (K)
1982
2171
2403
2692
3064
3558
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 dengan Halogen 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) + 2Br 2(l) → TiBr 4(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)32Ti(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. Sifat Kimia
Keterangan
Nama, Lambang, Nomor atom
Titanium, Ti,22
Deret Kimia
Logam transisi
Golongan, Periode, Blok
4,4,d
Massa atom
47.867(1) g/mol
Konfigurasi electron
[Ar] 3d2 4s2
Jumlah elektron tiap kulit
2,8,10,2
Struktur Kristal
hexagonal
Bilangan oksidasi
4
Elektronegativitas
1,54 (skala Pauling) ke-1: 658.8 kJ/mol
Energi ionisasi
ke-2: 1309.8 kJ/mol ke-3: 2652.5 kJ/mol
Jari-jari atom
140 pm
Jari-jari atom (terhitung)
176 pm
Jari-jari kovalen
136 pm
Tabel 5.Sifat-Sifat K imia Titanium 2.4.3
Sifat Mekanik Sifat Mekanik
Keterangan
Modulus Young
116 Gpa
Modulus Geser
44 Gpa
Modulus Ruah
110 Gpa
Nisbah Poisson
0,32
Skala Kekerasan Mohs
6
Kekerasan Vickers
970 Mpa
Kekerasan Brinell
716 Mpa
Nomor CAS
7440-32-6
Tabel 6. Sifat-Sifat Mekanik Ti tanium 2.5
Proses Pembuatan
Titanium diproduksi menggunakan proses Kroll. Langkah-langkah yang terlibat termasuk ekstraksi, pemurnian, produksi spons, pembuatan paduan, dan membentuk dan membentuk. Di Amerika Serikat, banyak produsen spesialis dalam fase yang berbeda dari produksi ini. Misalnya, ada produsen yang hanya membuat spons, yang lain yang hanya mencair dan menciptakan paduan, dan yang lain yang menghasilkan produk akhir. Saat ini, tidak ada produsen tunggal melengkapi semua langkah ini. Pencabutan 1. Pada awal produksi, produsen menerima titanium kon sentrat dari tambang. Sementara rutil dapat digunakan dalam bentuk alami, ilmenit diproses untuk menghilangkan zat besi sehingga berisi titanium dioksida paling sedikit 85%. Bahan-bahan ini dimasukkan ke dalam reaktor fluidizedtempat tidur bersama dengan gas klor dan karbon. Materi yang dipanaskan sampai 1.652 ° F (900 ° C) dan hasil reaksi kimia berikutnya dalam pe nciptaan murni titanium tetraklorida (TiCl4) dan karbon monoksida. Kotoran adalah hasil dari kenyataan bahwa titanium dioksida murni tidak digunakan di awal. Oleh karena itu berbagai klorida logam yang tidak diinginkan yang dihasilkan harus dibuang. Pemurnian 2. logam bereaksi dimasukkan ke dalam tangki penyulingan besar dan dipanaskan. Selama langkah ini, kotoran dipisahkan dengan menggunakan distilasi fraksional dan presipitasi. Tindakan ini menghilangkan klorida logam termasuk besi, vanadium, zirkonium, silikon, dan magnesium. Produksi spons 3. Selanjutnya, dimurnikan titanium tetraklorida ditransfer sebagai cairan ke bejana reaktor stainless steel. Magnesium kemudian ditambahkan dan wadah dipanaskan sampai sekitar 2012 ° F (1.100 ° C). Argon dipompa ke dalam wadah sehingga udara akan dihapus dan kontaminasi
dengan oksigen atau nitrogen dicegah. Magnesium bereaksi dengan klor menghasilkan magnesium klorida cair. Hal ini membuat padat titanium murni karena titik leleh dari titanium lebih tinggi dari reaksi.
4. Padatan titanium dikeluarkan dari reaktor dengan membosankan dan kemudian diobati dengan air dan asam klorida untuk menghapus kelebihan magnesium dan magnesium klorida. Padatan yang dihasilkan adalah logam berpori yang disebut spons. 5. Spons titanium murni kemudian dapat diubah menjadi paduan yang dapat digunakan melalui tanur habis-elektroda. Pada titik ini, spons dicampur dengan penambahan paduan berbagai besi tua. Proporsi yang tepat dari spons untuk bahan paduan diformulasikan di laboratorium sebelum produksi. Massa ini kemudian ditekan ke compacts dan dilas bersama-sama, membentuk elektroda spons. 6. Elektroda spons kemudian ditempatkan dalam tungku busur vakum untuk mencair. Dalam wadah air-cooled, tembaga, busur listrik digunakan untuk melelehkan elektroda spons untuk membentuk ingot. Semua udara dalam wadah yang baik dihapus (membentuk ruang hampa) atau atmosfer diisi dengan argon untuk mencegah kontaminasi. Biasanya, ingot tersebut remelted satu atau dua kali untuk menghasilkan ingot diterima secara komersial. Di Amerika Serikat, paling ingot dihasilkan dengan metode ini berat sekitar 9.000 lb (4,082 kg) dan 30 di (76,2 cm) di diameter. 7. Setelah ingot dibuat, tersebut akan dihapus dari tungku dan diperiksa dari kerusakan. Permukaan dapat dikondisikan seperti yang diperlukan untuk pelanggan. Ingot kemudian dapat dikirim ke produsen barang jadi di tempat yang dapat digiling dan dibuat menjadi berbagai produk. Produk samping / Limbah Selama produksi titanium murni sejumlah besar magnesium klorida yang dihasilkan. Bahan ini didaur ulang dalam sel daur ulang segera setelah diproduksi. Sel daur ulang p ertama memisahkan logam magnesium keluar maka gas klor dikumpulkan. Kedua komponen yang digunakan kembali dalam produksi titanium b
