Page 1
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan
makalah dengan judul “LOGAM DAN METALURGI” ini dapat diselesaikan.
Penulisan makalah ini dimaksudkan untuk memenuhi tugas Mata kuliah
Kimia Anorganik II. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada berbagai pihak
yang telah ikut membantu dalam penyelesaian makalah ini, terutama dosen
pembimbing kami. Semoga Allah SWT membalasnya dengan yang lebih baik.
Penulis menyadari bahwa penulisan makalah ini masih jauh dari
sempurna, mengingat keterbatasan kemampuan, pengalaman serta referensi
yang penulis miliki. Oleh karena itu, kami harapkan kritik dan saran yang
sifatnya membangun sehingga dapat menyempurnakan makalah ini.
Bandung, Juni 2014
Penulis
1
Page 2
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR................................................................................... i
DAFTAR ISI.................................................................................................. ii
PENDAHULUAN.........................................................................................3
TINJAUAN TEORITIS.................................................................................4
1. Hirarki Metalurgi................................................................................4
2. Klasifikasi Material.............................................................................6
3. Preparasi Logam.................................................................................13
4. Aloi.....................................................................................................25
KESIMPULAN..............................................................................................28
DAFTAR PUSTAKA....................................................................................29
DAFTAR GAMBAR
2
Page 3
PENDAHULUAN
Pada makalah ini akan dibahas mengenai pengolahan logam yang merupakan
bagian yang tidak kalah penting mangingat manfaat logam yang sangat luas
menyentuh semua aspek kehidupan. Oleh karena itu, perlu dipahami bahwa sifat-
sifat logamdan kaitannya dengan sumber-sumbernya di alam. Logam umumnya
dibayangkan sebagai bahan yang “keras”, mempunyai densitas dan titik leleh
tinggi, dapat ditempa, dan merupakan konduktor panas yang baik. Ada beberapa
perkecualian sifat yang mencolok misalnya, densitas litium hanya 0,543 g cm -3
sedangkan platina 21,45 g cm-3. Raksa (merkurium) berwujud cair pada temperatur
kamar, tetapi osmium meleleh pada suhu 30350C. Demikian juga natrium dan
kalium yang cukup lunak jika dipotong dengan pisau.
Bentuk kelimpahan logam yang terdapat di alam (kerak bumi) sangat
bergantung pada reaktivitas logam yang bersangkutan, kelarutan garamnya, dan
kemudahan garamnya bereaksi dengan air dan terhadap proses oksidasi. Logam
yang tidak reaktif seperti perak, emas, dan platina, biasanya terdapat di alam
sebagai unsurnya, sedangkan logam-logam yang agak reaktif biasanya terdapat
sebagi sulfida, misalnya CuS, PbS, dan ZnS.
Logam yang digunakan saat ini merupakan hasil dari suatu proses yang
panjang. Berbagai proses dilakukan untuk memisahkan logam yang diinginkan dari
unsur-unsur pengotornya. Rangkaian yang digunakan dalam menghasilkan suatu
bahan atau material disebut Siklus Material. Siklus Material ini menggambarkan
perjalanan secara singkat bagaimana bahan atau material diperoleh, diolah menjadi
suatu komponen, dipakai dan apabila telah rusak dibuang atau didaur ulang
3
Page 4
TINJAUAN PUSTAKA
1. Hirarki Metalurgi (Sejarah)
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 paloitikum, sekitar 40.000
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).
Berdasarkan kedekatan antara metalurgi dengan pertambangan inilah maka
pada awalnya pendidikan metalurgi lahir dari sekolah-sekolah pertambangan seperti
pendidikan metalurgi di Colorado School of Mines.
4
Page 5
Proses metalurgi di mulai sejak 6000 tahun sebelum masehi, saat ini telah di
ketahui 86 logam dan hanya 24 jenis di temukan selama abad 18. Logam awal di
temukan adalah Emas (6000 SM ) dan tembaga (4200 SM). Tujuh logam purbakala
adalah : Emas (6000 SM), Tembaga (4200 SM), Perak (4000 SM), Timbal (3500
SM), Timah (1750 SM), peleburan Besi (1500 SM) dan Air raksa (750 SM).
Kecuali besi dan tembaga (di padu dengan timah ) yang bukan logam kontruksi
adalah emas dan perak yang biasanya dipakai sebagai alat makan-minum, perhiasan
dan ornamen. Hampir semua logam terkandung di lapisan bumi, manusia pertama
kali belajar memproses biji menggunakan sulfide atau oksida logam melalui proses
reduksi dan oksidasi pada temperature yang bertingkat. Pertama kali di temukan
tidak sengaja akibat biji logam jatuh kedalam api unggun. Tembaga di temukan
secara natural di tempat siprus, dan di tempa menjadi artefak. Tetapi selalu rapuh
hingga akhirnya ditemukan dengan cara meng-anilnnya dalam api unggun. Antara
tahun 5000 SM lembaran tembaga dibuat dengan cara di pukul. Artefak tembaga
lebur dari tahun 3600 SM di temukan di lembaga sungai Nil.
Peleburan dilakukan dari malasit (CuCo3 dan Cu(OH)2) melalui kalsining dan
pengeringan, dan dari biji kuprit (oksida) dengan karbon sebagi zat pereduksi.
Timbal di temukan sebagai gelana sulfide timbale seperti metalik. Galena mudah
direduksi dalam api. Timbal banyak di pergunakan sebagai kotak dan pipa.
Melalui peleburan bijih timah dengan tembaga maka tembaga di produksi
lebih kuat dan mudah di cetak (perunggu). Besi natural terdapat dalam meteorites,
dengan kandungan nikel 6-8 %. Hematite (oksida) dipergunakan bersama-sama
untuk melebur besi, dengan karbin sebagai bahan pereduksi. Peleburan
menggunakan biji, arang dan batu kapur seperti sekarang ini pada dapur tinggi.
Bijih besi dihasilkan mengandung 3-4 % karbon dan 1-2 % Si, bercampur dengan
terak. Mudah di tempa saat panas. Besi sangat baik untuk di tempa, besi kasar
(wrough iron ) di panggang dalam udara atau dihembus untuk membuang karbon.
Lapisan-lapisan material dimana di tempa dan disatukan menghasilkan pedang dari
Damaskus dan Toledo. Senjata dan Besi sebagai peralatan perang seperti halnya
alat bertani.
5
Page 6
Gambar 1. Logam
2. Klasifikasi Mineral
Menurut Vlack (2004), material di klasifikasikan menjadi berbagai tipe yang
memiliki karakteristik yang sama. Salah satu cara pengelompokkan material,
berdasarkam ikatan atom dan struktur, menghasilkan kelompok logam, polimer dan
keramik. Pengelompokan ini berkaitan erat dengan pemrosesan. Material dapat juga
kita kelompokkan berdasarkan sifat dasar seperti sifat mekanik, listrik, dan optik.
Selanjutnya, kelompok tersebut dapat dibagi menjadi subkelompok. Sebagai
contoh, material listrik biasanya diidentifikasi sebagai konduktor, semikonduktor,
dan isolator. Apabila klasifikasi material ditinjau dari kemampuan
konduktivitasnya maka akan terdapat tambahan: golongan material semikonduktor.
Ditinjau dari segi struktur, terdapat jenis material tambahan yaitu material
komposit.
Logam, Polimer, Keramik dan Komposit
1. Logam
Logam dikenal karena konduktivitas
termal dan listriknya yang tinggi. Logam
tidak tembus cahaya, dan umumnya dapat
dipoles hingga mengkilat (Gambar 1).
Umumnya, meski tidak selalu, logam relatif
berat dan mampu dibentuk.
Apa penyebab karakteristik logam
tersebut? jawaban yang paling sederhana
ialah bahwa logam memiliki perilaku ini
karena fakta bahwa elektron valensinya tidak terikat, namun dapat meninggalkan
atom “induknya”. (sebaliknya, pada polimer dan keramik, elektron valensi tidak
bergerak bebas seperti itu). Karena dalam logam beberapa elektronnya bebas
bergerak, mereka dapat dengan mudah mentransfer muatan listrik dan energi
termal. Sifat tidak tembus cahaya serta kemampuan pemantulan (reflectivity) pada
logam disebebkan oleh respons dari elektron bebas tersebut terhadap getaran
elektromagnetik pada frekuensi cahaya. Sifat-sifat ini merupakan hasil lain dari
kebebasan parsial beberapa elektron dari atom induknya (Vlack, 2004).
6
Page 7
Logam yang digunakan saat ini merupakan hasil dari suatu proses yang
panjang. Berbagai proses dilakukan untuk memisahkan logam yang diinginkan dari
unsur-unsur pengotornya. Rangkaian yang digunakan dalam menghasilkan suatu
bahan atau material disebut Siklus Material (Gambar 2). Siklus Material ini
menggambarkan perjalanan secara singkat bagaimana bahan atau material
diperoleh, diolah menjadi suatu komponen, dipakai dan apabila telah rusak dibuang
atau didaur ulang.
Material logam memiliki konduktor panas dan listrik yang sangat baik. Tak
hanya itu, material ini juga memiliki sifat-sifat mekanis yang unggul dibandingkan
dengan jenis material yang lain. Ada beragam jenis material logam yang ada saat
ini, seperti yang terlihat di tabel periodik unsur, material logam menempati mulai
dari golongan IA dan IIA serta golongan B (logam transisi). Dari sekian banyak
jenis logam, ada beberapa logam yang mendapatkan porsi besar di dalam apikasi-
aplikasi dunia rekayasa (engineering). Logam-logam tersebut diklasifikasikan ke
dalam istilah ferrous dan non-ferrous. Logam ferrous adalah yang yang berbasis
7
Gambar 2. Siklus Material
Page 8
pada Besi (Fe) sebagai komponen penyusun utama sedangkan non-ferrous adalah
selain Fe yang menjadi penyusun utamanya. Beberapa non-ferrous digolongkan ke
dalam base metal dikarenakan muda bereaksi dengan oksigen (terkorosi)
membentuk lapisan oksida di permukaannya. Beberapa non-ferrous tersebut adalah
Aluminium (Al), Tembaga (Cu), Timbal (Pb), Seng (Zn), Nikel (Ni), dan Timah
(Sn). Ada juga jenis non-ferrous lain yang juga banyak diaplikasikan yakni
Magnesium (Mg) dan Titanium (Ti) (Anomin, 2011)
Logam secara umum terbagi menjadi dua, yaitu logam besi (ferrous) dan
logam non-besi (non-ferrous). Skematik klasifikanya dapat dilihat pada gambar 3
8
Gambar 3. Klasifikasi Logam
Page 9
Logam besi diklasifikasikan menjadi dua, yaitu baja dan besi cor. Baja
didefinisikan sebagai paduan antara besi (Fe) dan unsur–unsur lainnya, dengan
karbon (C) sebagai unsur yang paling dominan tetapi kandungannya dibatasi tidak
lebih dari 2,11% C. Ditinjau dari kandungan karbonnya, maka pembagian baja
dapat dikelompokkan sebagai berikut:
1. Baja karbon rendah (low carbon steel, < 0,2% C).
2. Baja karbon medium (medium carbon steel, < 0,2-0,5% C).
3. Baja karbon tinggi (high carbon steel, > 0,5% C)
Sedangkan besi cor adalah paduan besi yang mengandung karbon di atas 2,1% C,
silisium, mangan, fosfor dan belerang. Besi cor ini dapat digolongkan menjadi
empat jenis, yaitu:
1. Besi cor kelabu
2. Besi cor putih
3. Besi cor malleabel
4. Besi cor noduler
Paduan non besi terdiri dari
1. Aluminium
2. Tembaga
3. Nikel
4. Timah putih
5. Timbal
6. Magnesium
7. Titanium
8. Logam-logam mulia
2. Polimer
Polimer (yang umumnya dikenal sebagai plastik (Gambar 4) dikenal karena
densitasnya yang rendah dan pemanfaatannya sebagai isolator termal dan listrik.
Plastik merupakan pemantul cahaya yang kurang baik, dan cenderung bersifat
transparan atau translusen (setidak-tidaknya sebagai lembaran tipis). Selain itu,
beberapa jenis plastik bersifat fleksibel dan dapat dibentuk. Karakteristik mampu
bentuk ini dimanfaatkan fabrikasi (Vlack, 2004).
9
Page 10
Gambar 4. Polimer Plastik
http://koran-jakarta.com/images/berita/71949.jpg
Berbeda dengan logam, yang memiliki elektron yang dapat bergerak, unsur
nonlogam yang terletak disudut kanan atas tabel periodik memiliki afinitas untuk
menarik atau berebagi elektron. Setiap elektron terkait dengan atom tertentu (atau
pasangan atom tertentu). Jadi pada plastik, hanya dijumpai konduktivitas listrik dan
termal yang terbatas, karena semua energi termal harus ditransfer dari daerah panas
ke daerah dingin dengan getaran atomik, suatu proses yang jauh lebih lambat
dibandingkan denga transpor energi elektronik yang terjadi pada logam. Selain itu,
elektron dalam plastik yang kurang mampu bergerak lebih dapat menyesuaikan
getaran cahaya sehingga tidak mengabsorpsi berkas cahaya. Material yang hanya
mengandung unsur nonlogam, berbagi elektron untuk membentuk molekul besar,
sering disebut makromolekul.
Aplikasi Polimer Sintetik
Menurut Oxtoby, dkk (2003) terdapat tiga polimer yang paling banyak
digunkan adalah serat, plastik, dan elastomer (karet). Kita dapat membedakan
kegita jenis material berdasarkan sifat fisisnya, terutama ketahanannya terhadap
uluran.
1. Serat
Banyak serat penting, termasuk kapas dan wol, adalah polimer alami. Polimer
sintetik yang berhasil secara komersial dibuat tidak melalui reaksi polimerisasi
tetapi melalui regenerasi kimia dari polimer selulosa alami.
10
Page 11
2. Plastik
Plastik secara sederhana didefinisikan sebagai material ploimer yang dpat
dicetak atau diekstruksi menjadi bentuk yang diinginkan dan mengeras setelah
didinginkan atau pelarutnya diuapkan.
3. Elastomer (karet)
Elastomer iaalah polimer yang dapat di deformasi sampai ke ukuran yang
sangat besar dan masih dapat pulih ke bentuk asalnya bila tekanan yang
menyebabkan deformasi tersebut dihilangkan.
Semua produk yang merupakan hasil dan kecerdikan manusia merancang
polimer ternyata terbatas dibandingkan polimer produk-produk alam. Contohnya
adalah polisakarida, protein dan asam nukleat. Tumbuhan dan hewan menggunakan
sebagai molekul berantai panjang dengan fungsi yan berbeda-beda.
3. Keramik
Keramik, adalah senyawa yang mengandung unsur logam dan nonlogam.
Banyak sekali contoh material keramik, mulai dari semen pada beton (bahkan
batuan), gelas, isolator listrik, dan magnet permanen (Gambar 5).
http://jowarstudios.files.wordpress.com/2010/12/keramik.jpg
Keramik merupakan perpaduan antara unsur – unsur logam dan non logam
yang kemudian membentuk suatu senyawa yang umumnya termasuk ke dalam jenis
oksida, nitride, dan karbida. Sebagai contoh, beberapa keramik yang umumnya
11
Gambar 5. Keramik
Page 12
dikenal yaitu Alumunium oksida (alumina atau Al2O3), Silikon dioksida (silika atau
SiO2), Silikon karbida (SiC), Silikon nitrit (Si3N4). Sebagai tambahan, juga terdapat
beberapa material keramik yang termasuk ke dalam kelompok keramik tradisional
seperti mineral – mineral, lempung, cement, batu bata, dan kaca. Grafit dan intan
juga dimasukkan ke dalam kelompok keramik (Vlack, 2004)
Masing-masing material ini relatif keras dan rapuh. Memang, kekerasan dan
kerapuhan atribut umum dari keramik, begitu pula ketahanannya yang lebih tinggi
terhadap suhu tinggi dan lingkungan gawat dibandingkan dengan logam atau
polimer. Dasar untuk karakteristik tersebut juga berkaitan dengan perilaku
elektronik dari atom-atom pembentuknya. Konsisten dengan kecenderungan
alamiahnya, unsur logam melepas elektron kulit terluarnya dan memberikan
elektron tersebut pada atom nonlogam, yang menangkapnya. Akibatnya, elektron
tersebut tidak dapat bergerak, sehingga material keramik tipikal merupakan isolator
listrik maupun isolator termal yang baik (Surdia dan Saito, 1999).
Keramik biasanya dihubungkan dengan istilah “ikatan campuran” sebuah
kombinasi dari ikatan kovalen, ionic, dan terkadang metalik. Terdiri dari deretan
atom – atom yang saling berhubungan satu sama lain, dan tidak ada molekul yang
terpisah. Karakteristik ini membedakan keramik dari padatan molekular, seperti
kristal iodine (tersusun dari molekul I2 yang terpisah) dan paraffin wax (tersusun
oleh rantai panjang molekul alkana). Selain itu es, dimana tersusun dari molekul
terpisah H2O, juga termasuk ke dalam kelompok ini walaupun memiliki perilaku
seperti keramik.
Sifat Keramik
Menurut Oxtoby, dkk (2003) menyatakan keramik mempunyai kelebihan-
kelebihan dalam hal kekakuan, kekerasan, tahan aus, dan tahan korosi (terutama
oleh oksigen dan air), meskipun pada suhu tinggi. Keramik memilki kerapatan kecil
dari pada kebannyakan logam, yang membuatnya disukai sebagai pengganti logam
bila bobot merupakan hal yang dipertimbangkan. Kebanyakan keramik merupakan
isolator listrik yang baik pada suhu normal, sifat yang dimanfaatkan dalam
elektronika dan transmisi daya. Kekuatan keramik bisa bertahan dengan baik pada
suhu tinggi. Beberapa logam struktural yang penting melunak atau meleleh pada
12
Page 13
suhu ribuan derajat dibawah titik leleh senyawa kimianya berupa keramik.
Alumunium misalnya, meleleh pada suhu 660°C, sedangkan alumunim oksida
(Al2O3), yaitu senyawa penting dalam banyak keramik tidak meleleh sampai suhu
2051°C.
Diamping kelebihan-kelebihan ini, terdapat kekurangan serius. Keramik
biasanya getas atau kekuatan tariknya rendah. Keramik cenderung memiliki muai
termal yang tinggi tetapi konduktivitas termalnya rendah, membuatnya sering
terkena kejutan termal, yaitu perubahan suhu lokal secara mendadak yang
membuatnya retak atau remuk. Logam dan plastik bengkok atau berubah oleh
tekanan, tetapi keramik tidak dapat mengabsorpsi tekanan dengan cara ini, malah
pecah. Kelemahan utama keramik adalah sebagai material bangunan ialah
cenderung untuk rusak dalam penggunaannya tidak dapat di prediksi dan bisa
menimbulkan bencana. Selain itu, keramik, dapat kehilangan kekuatan mekanisnya
jika lama digunakan, dan ini merupakan masalah yang tidak terlihat namun serius
(Hari dan Daryanto, 1999).
3. Preparasi Logam
Metalurgi adalah ilmu pengetahuan dan teknologi logam, pengolahan dari
bijihnya, pemurnian, serta studi sifat maupun penggunaanya, namun demikian,
dalam kesempatan ini hanya dipelajari pemurnian logam hasil pengolahan logam
dari bijihnya.
Menurut Sugiarto dan Retno (2010), ada tiga tahap yang umum yaitu
pemekatan bijih, ekstraksi logam dan bijihnya termasuk reduksi logam, dan
pemurnian (refining) logam.
a. Pemekatan
Pada tahap ini mineral yang berharga di pisahkan semaksimal mungkin dari
batu-batuan yang tidak di inginkan. Biasanya hal ini di lakukan dengan
penggerusan bijih menjadi pecah-pecahan yang lebih kecil, kemudian pemisahan di
lakukan dengan metode flotasi (flotation). Menutut metode ini, bijih gerusah harus
di masukkan kedalam sebuah tangki yang berisi air, agen pelengket, seperti minyak
tusam (pine oil), yang akan membasahi mineral pembawa logam tetapi tidak
membasahi partikel-partikel batu silikat yang tidak di inginkan, agen aktif
13
Page 14
permukaan dan mungki juga agen pembuih. Agen aktif permukaan berfungsi
seperti molekul sabun atau deterjen yang memiliki satu ujung hidrofofobik
(hidrokarbon) yang dapat di tarik ke dalam gelembung membawa mineral kedalam
buih (busa). Campuran kemudian di aduk dengan kuat, dan arus udara di
semprotkan dengan kuat ke dalam tangki sehingga partikel mineral terbawa ke
permukaan oleh gelembung udara sebagai buih dan selanjutnya dapat di pisahkan.
Sebagian besar batu-batuan yang tidak diinginkan tenggelam kedasar tangki.
b. Ekstraksi
Ekstraksi logam dari bijih pekat melibatkan proses reduksi logam dari tingkat
oksidasi positif menjadi logam bebas. Sebelum reduksi, biasanya diperlukan
beberapa perlakuan lain seperti proses sintering dan calcining.
Sintering (pelengketan) adalah sutu pemanasan bijih lembut tanpa pelelehan
untuk memperoleh bijih yang lebih besar ukurannya sedangkan calcinning
(kalsinasi) adalah suatu pemanasan bijih karbonat atau oksidasi untuk
membebaskan gas karbon atau oksidasi untuk membebaskan gas karbon di oksida,
misalnya :
4 FeCO3 (s) + O 2 (g) → 2 Fe2O3 (s) + 4CO 2 (g)
Selain itu dapat juga di jadikan roasting (pemanggangan), yaitu suatu proses
pemanasan dalam oksigen atau udara di bawah titik leleh bijih yang bersangkutan
yang biasanya dilakukan pada bijih sulfide untuk memperoleh oksidasinya,
misalya:
2 PbS (s) + 3 O2→ 2 PbO (S) + 2 SO2
Kedua proses tersebut pada dasarnya dilakukan untuk memperoleh bijih
oksidasinya. Proses untuk ekstraksi, reduksi dan pemurnian logam secara umum
dibagi dalam tiga macam metalurgi yaitu pirometalurgi, elektrometalurgi dan
pirometalurgi.
Pirometalurgi melibatkan reaksi kimia yang dilaksanakan pada temperature
tinggi. misalnya dalam smelting (peleburan atau pelelehan) reduksi mineral
menghasilkan lelehan logam yang dapat di pisahkan dari batuan yang tidak di
inginkan. Dalam proses reduksi ini biasanya di pakai karbon atau logam lain.
14
Page 15
Oksida-oksida hasil pemanggangan bijih sulfide atau hasil kalsinasi bijih karbonat
tersebut umumnya direduksi dengan peleburan oleh karbon, menurut persamaan
reaksi:
ZnO(s) + C(s) ∆ Zn(s) + CO(g)
Hidrometalurgi
Merupakan istilah umum untuk suatu proses yang melibatkan air dalam
ekstraksi dan reduksi logam. Dalam proses peluluhan atau peumeran (leaching),
logam atau senyawanya terlarut dan lepas dari bijihnya atau langsung keluar dari
endapan bijihnya oleh air, sehingga terbentuk larutan logam tersebut dalam air.
Hidrometalurgi memberikan beberapa keuntungan :
1. bijih tidak harus dipekatkan, melainkan hanya di hancurkan menjadi bagian-
bagian yang lebih kecil
2. pemakain batu bara dan cokas pada pemanggan bijih dan sekaligus sebagai
reduktor dalam jumlah besar dapat di hilangkan
3. polusi atmosfer oleh hasil samping pirometalurgi sebagai belerang dioksida,
arsenic(III) oksida, dan debu tungku dapat di hindarkan
4. untuk bijih-bijih petingkat rendah (lower grade) metode lebih efektif.
Elektrometalurgi
Merupakan suatu proses reduksi mineral atau pemurnian logam yang
menggunakan energy listrik. Natrium dan aluminium diproduksi menurut metode
elektrometalurgi.
a. Preprasi Alumunium
Aluminium merupakan logam yang menduduki peringkat ketiga terbanyak
didunia. Di Indonesia alumnium terdapat di Pulau Bintan (Kijang) dan di
Kalimantan Barat (Tayan). Industri yang mengolah bijih bauksit menjadi
aluminium ingot terdapat di PT Inalum Asahan Sumatera Utara. Produksi
aluminium berawal dari penambangan dan pemurnian bauksit. Dengan tahapan
proses seperti ditunjukkan pada gambar 1.16 diperoleh aluminium ingot murni.
15
Page 16
Gambar 6. Proses Preparasi Aluminium
b. Preparasi Natrium
Seperti logam-logam alkali yang lain, natrium tidak ditemukan dalam keadaan
murni di alam karena reaktivitasnya yang sangat tinggi. Logam putih keperakan ini
dalampabrik biasanya diproduksi secara elektrometalurgi menurut proses Downs,
yaitu mengelektrolis lelehan natrium klorida (titik leleh sekitar 8010C)
Elektrolisis ini dikerjakan dalam sebuah sel silindrik dengan anode grafit
dipasang ditengah (sentral) dan kotode baja dibuat mengelilingi anode. Untuk
menurunkan suhu elektrolisis, ditambahkan kalsium klorida.
Katode : 2Na+(NaCl) + 2e → 2 Na (l)
Anode : 2Cl- (NaCl) → Cl2(g) + 2e
16
Page 17
Pengolahan Logam dari Bijih Sulfida
a. Tembaga
Pada mulanya, bijih tembaga dipekatkan dengan penggerusan, kemudian
dipanggang dan dilebur dalam proses multitahap yang memisahkan besi dan
tembaga sulfide yang ssebagian besar ada dalam bijih tembaga (kasoit-Cu2S,
kalkopirit-CuFeS2). Bijih pertama-tama dipanggang untuk membebaskan sebagian
belerang sebagai belerang dioksida dan belerang trioksida. Kemudian pemanasan
dalam tungku dengan fluks silica akan mengubah oksida-oksida besi dan beberapa
besi belerang menjadi ampas (slag), dan menghasilkan campuran lelehan tembaga
sulfide dan besi sulfide dengan ampas besi silikat terapung diatas.
b. Zink
Bijih zink yang paling umum adalah sfalerit atau zinkblende, ZnS, dan
smitsonit, ZnCO3 ; lainnya dalah zinkit, ZnO, dan franklinite (Zn,Mn)OnFe2O3,
dengan rasio Zn,Mn, dan Fe2O3 bervariasi. Titik didih zink yang rendah (907oC)
memungkinkan dapat dilakukan distilasi terhada lelehan bijih zink yang sering
diikuti distilasi lanjut untuk permunian logam zink. Metalurgi bijih franklinite
sangat menarik, karena pada reduksi pada temperature tinggi menghasilkan zink,
mangan, dan besi. Zink dapat dipisahkan dengan distilasi, sedangkan campuran
mangan-besi dapat langsung dijadikan logam panduan atau baja.
Besi dan Baja
Seperti halnya tembaga dan zink, besi terdapat dialam sebagai sulfidanya, FeS,
atau Fe2S2 tetapi, mineral ini tidak dimanfaatkan sebagai bijih karena sisa-sisa
kelumit belerang sulit dihilangkan. Hematite, Fe2O3 adalah yang paling tinggi
kelimpahannya setelah magnetit,Fe2O4 atau FeO.
Bijih takonit, terutama merupakan oksida-oksida besi yang mengandung silica,
dewasa ini penggunaannya sebagai sumber besi di amerika mengalami kenaikan.
Bijih ini benar-benar sangat keras dan sulit ditangani, namun penelitian metalurgi
telah berhasil mengatasi sebagian besar problem yang dihadapi.
17
Page 18
4. Aloi (Logam Paduan)
Apa yang dimaksud dengan logam? Logam adalah suatu unsur yang memiliki
sifat menghantarkan listrik dan panas yang baik, mempunyai kekuatan dan
keuletan, tidak meneruskan cahaya dan apabila permukaannya dipoles hingga
mengkilap dapat memantulkan cahaya. Pada gambar 6 ditunjukkan keberadaan
unsur logam dalam susunan tabel periodik (terdapat hampir 80%).
Gambar 7. Tabel periodik.
Kebanyakan logam berasal dari dalam tanah pada daerah-daerah tertentu. Di
Indonesia mineral-mineral logam terdapat dari Sabang sampai Merauke, seperti Di
Aceh terdapat timbal (galena-PbS), di Bintan terdapat alumunium (bauksit-
Al2O3nH20), di Bangka-Belitung timah putih (kasiterit-SnO2), sepanjang pantai
selatan pulau Jawa pasir besi, Pongkor Jawa Barat, Cikotok Banten dan Sumbawa
terdapat emas, Pomalaa Sulawesi Selatan dan Maluku terdapat nikel dan Papua di
Timika terdapat tembaga dan emas serta daerah daerah lainnya (gambar 7).
18
Page 19
Gambar 8. Peta mineral-mineral logam di Indonesia.
Bentuk-bentuk batuan mineral yang terdapat di alam berbeda-beda, gambar
8 menunjukkan bentuk batuan untuk berbagai jenis mineral.
19
Page 20
Gambar 9. Berbagai jenis mineral; (a) aluminium (bauksit-Al2O3nH20),
(b) timah putih (kasiterit-SnO2), (c) emas,(d) timbal (galena-PbS), (e) besi (hematit-
Fe2O3), (f) nikel (nikelit-NiAs), (g) tembaga (malasit-Cu2CO3(OH)3),
(h) perak (argentit-Ag2S).
Logam paduan atau aloi merupakan bahan campuran yang mempunyai sifat-
sifat logam yang terdiri dari dua atau lebih unsur-unsur dan sebagai unsur utamanya
adalah logam. Atom-atom logam yang berbeda dalam aloi diikat bersama oleh
ikatan metalik. Hal ini sama halnya dengan molekul-mlekul yang dibentuk dari
pasangan atom-atom nonlogam yang berbeda yang diikat oleh ikatan
kovalen,dimana ikatan metalik paralel terhadap ikatan kovalen.
Ada 2 macam dari aloi:
a. Larutan Padatan
Dalam larutan ini, logam lelehan becampur membentuk suatu campuran
homogeny, dimana atom-atom kedua macam logam harus mempunyai ukuran yang
hampir sama dan kedua keristal metalik juga sama strukturnya, dan sifat-sifat
kimiawi keduanya pun harus mirip. Contohnya: Ferrous
20
Page 21
Ferrous
Logam ferrous lebih banyak diaplikasikan di dalam dunia rekayasa karena sifat
mekanis yang ditawarkan dari jenis-jenisnya yang berbeda. Berdasarkan
konsentrasi karbonnya maka kelompok logam ferrous dibedakan menjadi baja
(steel) dan besi tuang (cast iron).
Baja (steel)
Karbon didalam matriks besi akan memperkuat besi yang dalam keadaan
murni rendah sifat mekaniknya. Jika didalammatriks besi kandungan karbonnya
maksimal 2 % maka disebut sebagai baja, teapi jika kandungan karbonnya lebih
besar dari 2% maka disebut sebagai besi tuang.
Baja kemudian diklasifkasikan lagi kedalam jenis-jenis berdasarkan kisaran
karbon yang terkandung di dalam matriks besi. Ada beberapa jenis fasa yang
terdapat di dalam baja dan juga besi tuang. Fasa-fasa tersebut adalah seprti yang
terlihat pada fasa Fe-C.
Gambar 10. Contoh aplikasi baja karbon
http://www.steelpipes.org/gavin/uploads/allimg/120430/163030D31-0.jpg
Besi Tuang (Cast Iron)
Adapun besi dengan kandungan karbon yang lebih besar daripada 2% maka
disebut sebagai besi tuang. Besi tuang memiliki kandungan karbon jenuh sehingga
kelebihan karbon ini akan berbentuk karbon bebas yang tidak mengisi matriks dari
besi.
Gambar 11. Contoh aplikasi besi tuanghttp://rajalampu.files.wordpress.com/2011/090
21
Page 22
Non Ferous
Logam-logam selain besi disebut sebagai non-ferous metal. Seperti yang
disinggung sebelumnya sebagai contoh dari logam-logam tersebut adalah
alumanium, logam, nikel, dan lain-lain serta paduan-paduannya. Ada beberapa
kriteria yang diinginkan dari material ini untuk aplikasi-aplikasi struktural tertentu
pada bidang rekayasa seperti ringan, kekuatan tingggi, non-magnetik, titik lebur
ringgi, ketahanan terhadap korosi karena lingkungan atau kimia.
Alumanium
Logam alumanium dalam keadaan murni sangat lunak, ringan, tidak beracun
(sebagai logam), non-magnetik. Alumanium juga mudah dibentuk, dimesin, dan
dituang. Untuk meningkatkan kekuatannya maka alumanium dipadu dengan
beberapa jenis logam lain yang memiliki struktur kristal yang sama. Alumanium
paduan (alloy) kemudian diklasifikasikan ke dalam beberapa seri sesuai dengan
logam pemadunnya.
Logam alumanium murni diproleh dari proses ekstraksi bijih logamnya yang
disebut Bauxite dengan proses eloktrolisis. Proses eloktrolisis yang melibatkan
energy listrik untuk membebaskan logam alumanium dari pengotor bjinya
dinamakan proses bayer. Biji bauxite yang berasal dari tambnag tidak bisa begit
saja direduksi dengan reduktor seperti pada proses pengolahan besi baja. Bijih
bauxite harus dirubah terlebih dahulu menjadi almina (Al2O3) untuk dapat diekstrak
logam alumaniumnya. Alumina kemudian dicampur dengan eloktrolit yang disebut
cryollite pada saat proses elektrolisis. Logam alumina kemudian akan terkumpul
pada katoda dan akan stripping lalu dileburkan kembali dan dicetak menjadi ingot.
Gambar 12. Aplikasi Alumanium dan paduannya
http://images-of-elements.com/aluminium-2.jpg
Tembaga
Tembaga merupakan logam yang sangat penting kehadirannya dalam
perdaban manusia. Logam ini menjadi awalan perubahan perdapan yang lebih maju
yakni peradapan zaman perunggu dimana perkakas yang terbuat dari perunggu
22
Page 23
(paduan antara Cu dan Sn). Logam tersebut lunak serta memiliki konduktifitas
termal dan listrik yang sangat baik/tinggi. Logam Cu murni lunak dan mudah
dibentuk, dipermukaannya akan terbentuk tarnish berwarna jingga kemerahan jika
terekpos udara. Ada beberapa jenis paduan tembaga dipergunakan di dalam dunia
rekayasa, berikut adalah beberpa jenis tersebut. Tembaga diekstrak dari bijih
logamnya yang umumnya ditambang yaitu chalcopyrite (CuFeS2) dan bornite
(Cu5FeS4). Tidak seperti alumanium yang hanya bisa diekstrak dengan energy
listrik, tembaga dapat diekstrak dengan dua metode yaitu dengan mereduksinya
memakai reduktor dengan bantuan panas(pyrometallurgy) atau energy listrik
dengan elektrolisiss (hydrometallurgy).
Gambar 13. Logam tembaga dan paduannya
www.vibiznews.com
Nikel
Nikel adalah salah satu logam non-ferrous yang sangat penting di dalam dunia
rekayasa. Logam ini memiliki ketahanan mulur (creep) yang sangat baik. Sifat
tersebut sangat penting untuk aplikasi-aplikasi yang berada pada temperature sangat
tinggi dimana logam lain tidak dapa bertahan. Untuk aplikasi-aplikasi yang
membutuhkan ketahanan korosi yang baik sangat membutuhkan keberadaan logam
ini. Logam nikel bersama kromium dan besi membutuhkan paduan baja tahan karat
23
Page 24
(stainless steel) yang sangat banyak diaplkasikan untuk perlatan-peralatan yng
tahan korosi. Logam nikel diekstrak dari bijih logamnya dengan menggunakan
metode baik pyrometallurgy maupun hydrometallurgy. Bijih logam nikel yang
umumnya ditambang ada dua yaitu dari jenis sulfide dan oksida, dari jenis sulfide
umumnya pentlandia dan dari jenis oksida adalah latarite. Karena ketahanan korosi
yang baik dan juga pada emperature tinggi maka nikel banyak diaplikasikan untuk
pembuatan turbin untuk pesawat terbang.
Nikel digunakan di banyak industry dan produk-produk konsumsi, termasuk
baja tahan karat,magnet,koin baterai isi ulang, senar gitar dan paduan-paduan
khusus. Nikel juga digunakan unuk pelapisan dan sebagai penghasil warna hijau
dalam gelas. Nikel merupakan logam pemadu yang unggul dan kegunaan utamanya
adalah pada baj nikel dan besi tuang nikel yang bermacammacam jenis. Nikel juga
banyak dipergunakan untuk paduan-paduan lainnya,seperti kunngan dan perunggu
nikel dan juga paduan-paduan dengan tembaga, kromium, alumanium, timbal,
kobalt, perak, dan emas. Berikut beberapa penggunaan nikel dalam berbagai
bidang: water treatment (4%), pulp and paper (8%).
Dari sektor-sektor tersebut nikel dikonsumsi dalam bentuk logam-logam yang
dapat diklasifikasikan secara sederhana sebagai berikut yakni; baja tahan karat
(stainless steal), paduan-paduan super, logam murni untuk pelapisan, dan dalam
bentuk unsure pemadu untuk jnis paduan-paduan logam lainnya.
24
Gambar 14. Contoh aplikasi nikel dan paduannya
Page 25
b. Senyawa Aloi
Senyawa aloi berhubungan dengan jumlah elekton valensi untuk setiap
paduan. perbandingan elektron valensi terhadap jumlah atom paduan adalah
tertentu. Naiknya jumlah elektron valensi terhadap jumlah atom dalam senyawa
aloi mengakibatkan atom-atom logam terikat besama lebih kuat, sehingga
menaikkan sifat kekerasannya.
Contohnya:
Paduan ZrNi3
Untuk ZrNi3 (fcc) dengan 12 elektron valensi dan 4 atom paduan, nilai
perbandingannya adalah sebesar 12/4 = 3,0. Fasa zirkonium alfa (Zr-α) mempunyai
5,2 elektron per atom dan fasa beta mempunyai 8 elektron per atom. Maka dari itu,
kelarutan pemadu secara umum di fasa Zr-β lebih besar jika dibandingkan dengan
kelarutan di fasa Zr-α. Pertimbangan yang lain dalam paduan adalah
elektronegativitas. Jika perbedaan elektronegativitas atom terlarut dan pelarut besar,
maka kristal akan memiliki sifat ionik. Sebagai contoh, natrium dengan klor
mempunyai perbedaan elektronegativitas sebesar 2,33 maka kristal tersebut bersifat
ionik. Perbedaan elektronegativitas memang diperlukan supaya terjadi ikatan yang
kuat. Timah dan molibdenum lebih elektronegatif jika dibandingkan dengan
zirkonium (Zr=1,33; Sn=1,96; Mo=1,33).
Kekerasan dipengaruhi oleh unsur pemadu yang membentuk fasa kedua hasil
reaksi antara unsur matrik dengan unsur pemadunya. Fasa kedua dapat membentuk
inklusi atau presipitat. Pengaruh oksigen, nitrogen dan karbon terhadap kekerasan
sangat signifikan, sehingga atmosfir harus dikondisi dengan argon. Mikrostruktur
juga berpengaruh pada kekerasan. Parameter mikrostruktur yang berpengaruh
antara lain ukuran butir, bentuk butir, semakin kecil ukuran butir suatu paduan
semakin besar kekuatannya atau semakin meningkat kekerasannya. Seharusnya
semakin besar ukuran butir tersebut, bahan menjadi semakin lunak. Jadi yang
menentukan kekerasan pada paduan tersebut bukan ukuran butir tetapi
kemungkinan fasa kedua paduan.
Perubahan Struktur pada bahan paduan terdiri dari phase tunggal,serta phase
campuran, dimana phase adalah bagian dari perubahansistem kimia untuk
25
Page 26
menghasilkan paduan dengan karakter khusus bergantung pada komposisi dan
temperatur pendinginannya.
Phase berada selama pendinginan dan pada temperatur ruangan serta
tergantung pula pada perilaku susunan unsur unsur lainnya.
Pengaruh Unsur Campuran
Pengaruh unsur campuran sukar diketahui secara tepat untuk setiap satu unsur
campuran karena pengaruhnya tergantung pada jumlah yang digunakan, jumlah
penggunaan dan unsur-unsur lainnya.
Shape Memory alloy (SMA)
SMA merupakan paduan yang dapat mengingat bentuk aslinya. Paduan ini
dibentuk dengan peroses tempa dingin sehingga komponen yang terbuat dari
paduan ini dapat kembali ke bentuk asalnya dengan cara dipanaskan. Material ini
merupakan alternatif material yang ringan ang dapat menggantikan aktuator
konnsional seperti hydraulic, pneumatic, and motor-based system. Aplikasinya
juga meliputi: kedokteran dan ruang angkasa.
Dengan memadukan dua logam atau lebih dapat diperoleh sifat-sifat yang lebih
baik dari pada logam aslinya. Memadukan dua logam yang lemah dapat diperoleh
26
Gambar 15. Shape Memory Alloy
Page 27
logam paduan yang kuat dan keras. Misalnya tembaga dan timah, keduanya adalah
logam yang lunak, bila dipadukan menjadi logam yang keras dan kuat dengan nama
perunggu. Besi murni adalah bahan yang lunak sedangkan zat arang (bukan logam)
adalah bahan yang rapuh, paduan besi dengan zat arang menjadi baja yang keras
dan liat.
Logam pada umumnya terdapat di alam (tambang) dalam bentuk bijih-bijih
berupa paduan atau mineral. Biji logam tersebut masih terikat dengan unsur-unsur
lain sebagai oksida, sulfida atau karbonat.
27
Page 28
Kesimpulan
1. Kesimpulan
a. Sejarah ilmu metalurgi dan logam diawali dengan teknologi pengolahan hasil
pertambangan. Perkembangan historis metalurgi besi dapat ditemukan dalam
berbagai budaya dan peradaban lampau. Ini mencakup kerajaan dan imperium
kuno dan abad pertengahan. Berdasarkan kedekatan antara metalurgi dengan
pertambangan inilah maka pada awalnya pendidikan metalurgi lahir dari
sekolah-sekolah pertambangan seperti pendidikan metalurgi di Colorado
School of Mines.
b. material di klasifikasikan menjadi berbagai tipe yang memiliki karakteristik
yang sama. Salah satu cara pengelompokkan material, berdasarkam ikatan
atom dan struktur, menghasilkan kelompok logam, polimer dan keramik.
c. Metalurgi ada tiga tahap yang umum yaitu pemekatan bijih, ekstraksi logam
dan bijihnya termasuk reduksi logam, dan pemurnian (refining) logam. Proses
untuk ekstraksi, reduksi dan pemurnian logam secara umum dibagi dalam tiga
macam metalurgi yaitu pirometalurgi, elektrometalurgi dan pirometalurgi.
d. Ada dua jenis aloi yaitu, larutan padatan dan senyawa aloi. Larutan padatan
terbagi atau ferrous yang terdiri atas baja dan besi tuang dan non ferrous
dengan contoh alumanium, logam, nikel, dan lain-lain serta paduan-paduannya,
28
Page 29
DAFTAR PUSTAKA
Alam, Cramb. 2013. A Short History of Metals. Carnegie: Mellon University.
Dmitri Kopeliovich. Cast Irons. SubsTech (Substance and Technology), diakses
melalui laman http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=cast_irons pada
20 Februari 2013
Hari, Amanto dan Daryanto. 1999. Ilmu Bahan. Jakarta: Bumi Aksara.
Oxtoby, David W, dkk. 2003. Prinsip-prinsip Kimia Modren Edisi Keempat Jilid II
(Alih bahasa : Suminar Achmadi). Jakarta: Erlangga.
Surdia, Tata dan Saito Shinroku. 1999. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta:
Pradnya Paramita.
Vlack, Lawrence V Han. 2004. Elemen-elemen Ilmu dan Rekayasa Material Edisi
Keenam (Alih bahasa: Sriati Djapri). Jakarta: Erlangga
.
Gambar
http://jowarstudios.files.wordpress.com/2010/12/keramik.jpg
http://www.steelpipes.org/gavin/uploads/allimg/120430/163030D31-0.jpg
http://rajalampu.files.wordpress.com/2011/090
http://images-of-elements.com/aluminium-2.jpg
www.vibiznews.com
29