Metalurgi Aloi

BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Metalurgi adalah ilmu pengetahuan dan teknologi logam, pengolahan dari bijihnya, pemurnian, serta studi sifat maupun penggunaannya. Berdasarkan tahapan rangkaian kegiatannya, metalurgi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu metalurgi ekstraksi dan metalurgi fisika. Metalurgi ekstraksi yang banyak melibatkan proses-proseskimia, baik yang temperatur rendah dengan cara pelindian maupun pada temperatur tinggi dengan cara proses peleburan utuk menghasilkan logam dengan kemurnian tertentu, dinamakan juga metalurgi kimia. Adapun proses-proses dari ekstraksi metalurgi atau ekstraksi logam itu sendiri antara lain adalah Pirometalurgi (proses ekstraksi yang dilakukan pada temperatur tinggi), Hidrometalurgi (proses ekstraksi yang dilakukan pada temperatur yang relatif rendah dengan cara pelindian dengan media cairan), dan elektrometalurgi (proses ekstraksi yang melibatkan penerapan prinsip elektrokimia, baik pada temperatur rendah maupun pada temperatur tinggi). Meskipun sesungguhnya metalurgi kimia itu sendiri mempunyai pengertian yang luas, antara lain mencakup juga pemaduan logam dengan logam lain atau logam dengan bahan bukan logam . Paduan logam (aloi) dapat merupakan larutan zat padat (solid solution) dengan komposisi yang bervariasi tertentu. Aloi yang merupakan zat padat ada dua macam, yaitu aloi selitan (interstitial alloy) dan aloi subtitusi (subtitution alloy). Oleh karena itu untuk lebih memahami mengenai metalurgi serata paduan logam (aloi) maka ditulislah makalah ini. Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah pada makalah ini adalah sebagai berikut: Bagaimanakah prosedur dan proses metalurgi? Apa saja jenis-jenis metalurgi dan bagaimana contohnya? Bagaimanakah logam paduan (aloi) itu ? Apa sajakah jenis-jenis aloi? Bagaimanakah cara pembuatan aloi tersebut (Baja) ? Tujuan Adapun tujuan dari makalah yang dibuat adalah sebagai berikut: Mengetahui prosedur dan proses dari metalurgi. Mengetahui jenis-jenis metalurgi beserta contohnya. Mengetahui logam paduan (aloi) . Mengetahui jenis-jenis aloi . Mengetahui cara pembuatan aloi (Baja) . BAB II PEMBAHASAN Prosedur Metalurgi Metalurgi adalah ilmu pengetahuan dan teknologi logam, pengolahan dari bijihnya, pemurnian, serta studi sifat maupun penggunaannya.Namun demikian, dalam kesempatan ini hanya dipelajari pemurnian logam hasil pengolahan dari bijihnya. Prosedur pengolahan logam dari bijihnya melewati tiga tahap yang umum yaitu pemekatan bijih, ekstraksi logam dari bijihnya termasuk reduksi logam, dan pemurnian (refining) logam. Berikut penjelasannya : Pemekatan bijih Pada tahap ini mineral yang berharga dipisahkan semaksimal mungkin dari batu-batuan yang tidak diinginkan.Biasanya hari ini dilakukan dengan penggerusan bijih menjadi pecahan-pecahan yang lebih kecil, kemudian pemisahan dapat dilakukan dengan metode flotasi (flotation). Menurut metode ini, bijih gerusan halus dimasukkan kedalam sebuah tangki yang berisi air, agen pelengket, seperti minyak tusam (pineoil), yang akan membasahi mineral pembawa logam tetapi tidak membasahi partikel-partikel batu silikat yang tak diinginkan, agen aktif permukaan, dan mungkin juga agen pembuih. Agen aktif permukaan berfungsi seperti molekul sabun atau detergen yang memiliki satu ujung polar yang dapat diadsorbsi pada permukaan mineral dan satu ujung hydrofobik (hidrokarbon) yang dapat ditarik kedalam gelembung membawa mineral ke dalam buih (busa).Campuran kemudian diaduk dengan kuat, dan arus udara disemprotkan dengan kuat ke dalam tanki sehingga partikel mineral terbawa ke permukaan oleh gelembung udara sebagai buih dan selanjutnya dapat dipisahkan.Sebagian besar batu-batuan yang tak diinginkan tenggelam kedasar tanki. Gambar 2.1. Proses pemekatan dengan flotasi. Ektraksi Ektraksi 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 (pelengketan), yaitu suatu pemanasan bijih lembut tanpa pelelehan untuk memperoleh bijih yang lebih besar ukurannya, atau calcining (kalsinasi), yaitu suatu pemanasan bijih karbonat atau oksida ntuk membebaskan gas karbon dioksida, misalnya : 4 FeCO3(s) + O2(g) 2 Fe2O3(s) + 4 CO2(g) Selain itu dapat juga dilakukan roasting (pemanggangan), yaitu suatu proses pemanasan dalam oksigen atau udara dibawah titik leleh bijih yang bersangkutan yang biasanya dilakuakn pada bijih sulfide untuk memperoleh oksidanya, misalnya : 2 PbS (s) + 3 O2(g) 2 PbO (s) + 4 SO2(g) Kedua proses tersebut pada dasarnya dilakukan untuk memperoleh bijih oksidanya. Proses untuk ekstraksi, reduksi dan pemurnian logam secara umum, dibagi dalam tiga macam metalurgi yaitu pirometalurgi, elektrometalurgi, dan hidrometalurgi. Pemurnian Logam Pemurnian logam kasar sangat penting ditinjau dari dua aspek. Pertama, adanya pengotor mungkin mengakibatkan logam yang bersangkutan tidak dapat dimanfaatkan sesuai dengan yang diinginkan, misalnya adanya arsenic dalam persentase yang sangat kecil saja sebagai pengotor umumnya dalam tembaga, mengakibatkan penurunan sifat konduktivitas listrik 10-20% kedua, adanya pengotor dalam logam itu sendiri mungkin sangat berharga, misalnya timbel dan tembaga. Metode untuk pemurnian logam kasar meliputi pemurnian (1) elektrolitik misalnya untuk tembaga, (2) oksidasi pengotor yang harus dipisahkan, misalnya untuk besi, atau (3) distilasi logam dengan titik didih rendah seperti untuk raksa, zink dan nikel, (4) pemurnian zona (zone refining). Gambar 2.2 Bagan metode zone refining atau pemurnian metal Pemurnian zona merupakan teknik pemurnian logam dengan hasil kemurnian yang sangat tinggi. Teknik ini berdasarkan pada kenyataan bahwa pengotor lebih mudah larut dalam fase cairan daripada fase padatan. Dalam proses ini batangan logam yang akan dimurnikan dilewatkan secara perlahan kedalam kumparan pemanas listrik yang mengakibatkan logam meleleh dan pengotor larut didalam fase lelehan logam. Batangan logam bergerak terus maju dan ketika keluar dari kumparan pemanas maka bagian ujung luar menjadi dingin dan segera memadat kembali, sedangkan pengotor akan tetap tertinggal larut dalam zona pelelehan didalam kumparan pemanas. Karena batangan logam bergerak maju terus maka batangan yang keluar dari kumparan menjadi beku-murni dan semakin panjang, sehingga pada akhirnya sebagian besar pengotornya terkumpul pada bagian ujung belakang, dan ini dapat dipisahkan dengan pemotongan. Jenis-Jenis metalurgi Pirometalurgi Pirometalurgi melibatkan reksi kimia yang dilaksanakan pada temperature tinggi. Misalnya dalam smelting (peleburan atau pelelehan), redusi mineral menghasilkan lelehan logam yang dapat dipisahkan dari batuan yang tak diinginkan. Dalam proses reduksi ini biasanya dipakai karbon atau logam lain. 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) Biasanya, pemekatan bijih tidak sampai memisahkan secara sempurna batu-batuan pengotor yang tak diinginkan dari mineralnya. Batu-batuan pengotor dipisahkan dalam proses peleburan dengan penambahan pereaksi fluks untuk menghasilkan slag (terak atau ampas bijih) yang berupa cairan pada temperature proses dalam tungku. Sebagian besar slag adalah silikat, misalnya : SiO2 (s) + CaCO3 (s) CaSiO3 (l) + CO2 (g) Batuan pengotor fluks slag Lelehan logam dan slag membentuk lapisan yang terpisah dalam tungku sehinggadapat dipisahkan. Slag dapat dipadatkan sebagai massa mirip gelas untuk dibuang atau dipakai pada pembuatan semen Portland. Metode pirometalurgi diterapkan untuk produksi tembaga, zink, dan besi. Adapun contoh dari pirometalurgi adalah sebagi berikut : Besi Bahan mentah untuk preparasi besi adalah (1) bijih besi yang telah dipekatkan, (2) kokas, dan (3) batu kapur, CaCO3 yang berperan sebagai fluks. Besi kasar (besi gubal – pig iron) diproduksi didalam tanur tinggi, suatu tanur dengan ketinggian ~100 kaki dan diameter 25 kaki yang dilapisi dengan batu bata yang tahan panas. Campuran bijih besi, kokas, dan batu kapur dimasukkan dari bagian atas tanur (Gambar 2.5). Hembusan kuat (kecepatan ~350 mph) udara panas atau oksigen ditiupkan melalui bagian bawah tanur tempat kokas diubah menjadi gas CO yang kemudian berperan sebagai agen pereduksi. Campuran menjadi lebih panas secara perlahan dengan semakin menurunnya ke posisi dasar tanur. Uap air pertama-tama akan terdesak keluar, kemudian sebagian bijih mulai tereduksi oleh karbon monoksida. Pada bagian tanur yang lebih panas, proses reduksi bijih menjadi logam besi menjadi sempurna, batu kapur melepaskan CO2 dan bereaksi dengan pengotor-pengotor bijih terutama silicon dioksida tetapi juga oksida-oksida mangan dan fosfor dengan menghasilkan lelehan ampas. Lelehan besi dan ampas keduanya tidak bercampur melainkan membentuk dua lapisan pada dasar tanur. Gambar 2.3 Bagan tanur tinggi pengolahan besi Proses reduksi bersifat dapat dibalik/reversible, dan reduksi sempurna hanya terjadi jika karbon dioksida yang terbentuk dihilangkan. Hal ini dapat dilakukan dengan penambahan kokas berlebihan yang akan mereduksi karbon dioksida menjadi karbon monoksida. Zink Bijih Zink yang paling umum adalah sfalerit atau zinkblende, ZnS dan smitsonit, ZnCO3. Lainnya adalah zinkit, ZnO dan franklinite, (Zn,Mn)O. nFe2O3, dengan rasio Zn, Mn, dan Fe2O3 bervariasi. Titik didih zink yang rendah (907oC) memungkinkan dapat dilakukan distilasi terhadap lelehan bijih zink yang sering diikuti distilasi lanjut untuk pemurnian 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 paduan atau baja. Sebagaian besar, bijih zink dipanggang untuk mengubah sulfida menjadi oksidanya, kemudian dilanjutkan dengan reduksi pada temperature tinggi dengan karbon untuk menghasilkan logam zink yang kemudian dikondensasi dan dimurnikan. Persamaan reaksinya adalah : ZnO (s) + C (s) Zn (s) + CO (g) Logam zink juga dapat diekstrak menurut proses hidrometalurgi. Sebagai contoh, larutan zink sulfat dapat diperoleh secara peluluhan dengan asam sulfat dan oksigen pada bijih sulfide yang telah dipanggang sebelumnya. Persamaan reaksinya adalah : 2 ZnS (s) + O2 (g) + 2 H2SO4(aq) ZnSO4 (aq) + 2 S (s) + 2 H2O (l) Debu zink kemudian diaduk bersama dalam larutan zink sulfat untuk mereduksi dan mengendapkan logam-logam yang lebih mudah tereduksi daripada zink. Larutan kemudian disaring dan dielektolisis untuk menghasilkan logam zink murni. Tembaga Pada umumnya, biji tembaga dipekatkan dengan penggerusan, kemudian dipanggang dan dilebur dalam proses multitahap yang memisahkan besi dan tembaga sulfida yang sebagian besar ada dalam bijih tembaga (kalkosit-Cu2S, kalkopirit-CuFeS2). Bijih pertama-tama dipanggang untuk membebaskan sebagian belerang sebagai belerang dioksida dan belerang trioksida. Kemudian pemanasan dalam tungku dengan fluks silikat akan mengubah oksida-oksida besi dan beberapa besi belerang menjadi ampas (slag), dan memnghasilkan campuran lelehan tembaga sulfida dan besi sulfida dengan ampas besi silikat terapung di atas. Beberapa persamaan reaksi yang penting dalam proses ini adalah: FeS2 (l) + O2 (g) FeS(l) + SO2(g) 3FeS(l) + 5O2(g) Fe3O4(l) + 3SO2(g) 2CuFeS2(l) + O2(g) Cu2S(l)+ 2FeS(l) + SO2(g) Fe3O4(l) FeS(l) + 4SiO2 + O2(g) 4FeSiO3(l) + SO2(g) Campuran lelehan sulfida dibawa ke tangki pengubah( konventer) untuk dilebur dengan silikat bersama oksigen yang ditiupkan melalui campuran. Dibagian ini sisa besi dipisahkan sebagai ampas besi silikat dan langkah terakhir adalah reduksi menjadi logam tembaga. Persamaan reaksinya adalah: 2Cu2S(l) + 3O2(g) 2Cu2O(l) + 2SO2(g) 2Cu2O(l) + Cu2S (l) 6Cu(l) + SO2(g) Gas belerang dioksida merupakan produk pencemar (polutan) , oleh karena itu diusahakan untuk dihilangkan dengan oksidasi katalitik menjadi asam sulfat via belerang trioksida, atau dengan mengalirkan gas ini melalui bara karbon hingga terjadi reduksi menjadi belerang: SO2 (g) + 2C(s) S(l) + 2CO(g) Tembaga yang diperoleh dari peleburan bijih sulfida belum murni dengan pengotor utama adalah perak, emas, besi, zink, timbel, arsenik , belerang, tembaga(I) oksida , dan sedikit ampas. Dengan pemanasan lelehan logam tak murni ini dengan arus udara, sebagian besar arsenik dan belerang diubah menjadi oksidanya yang mudah menguap. Pengotor yang lain dihilangkan melalui proses pemurnian secara elektrolisis (elektrorefining) seperti pada gambar dibawah ini . Gambar 2.4 Bagan sel pemurnian tembaga Batang-batang tembaga kasar dipasang sbagai anode dalam sel elektrolisis dan lempengan tembaga murni sebagai katode,dan elektrolitnya adalah campuran asam sulfat encer, natrium klorida dan tembaga (II) sulfat. Dengan mengontrol secara hati-hati foltase arus listrik yang digunakan, hanya tembaga dan pengotor logam yang lebih elektro positf ( besi, zink, timbel) dalam anode yang teroksidasi dan terlarut. Logam pengotor yang kurang elektropositif (perak dan emas) tidak terpengaruh dan jatuh dari anode yang mengalami desintegrasi. Jika terjadi oksidasi terhadap perak, maka Ag akan diendapkan sebagai AgCl. Proses seperti ini mampu menghasillkan tembaga dengan kemurnian > 99.9%. Elektrometalurgi Merupakan suatu proses reduksi mineral atau pemurnian logam menggunakan energy listrik. Natrium dan aluminium diproduksi menurut elektrometalurgi. Natrium Merupakan logam alkali yang paling dibutuhkan untuk keperluan industry. Sperti logam-logam alkali yang lain, natrium tidak ditemukan dalam keadaan murni di alam karena reaktivitasnya yang sangat tinggi. Logam putih keperakan ini dalam pabrik biasanya diproduksi secara elektrometalurgi menurut proses Downs (gambar 2.2) yaitu denagn mengelektrolisis lelehan natrium klorida (titik leleh 801oC) Gambar 2.5 Bagan sel downs untuk produksi natrium Elektrolisis ini dikerjakan dalam sebuah sel silindrik dengan anode grafit dipasang ditengah (sentral) dan katode baja dibuat mengelilingi anode.Untuk menurunkan suhu elektrolisis, ditambahkan kalsium klorida (titik leleh 600oC) sebagai campuran.Campuran 33% CaCL2 – 67% NaCl ternyata mempu menurunkan titik leleh menjadi 580 oC.Kedua elektroda dipisahkan dengan diafragma ayakan baja silindrik sehingga lelehan natrium yang terbentuk mengapung pada bagian atas katode dan tidak bersentuhan dengan gas klorin yang terbentuk pada ruang anode. Natrium cair yang mengandung ~0,2%logam kalsium didinginkan hingga 110oC agar logam kalsium memadat dan terkumpul didasar wadah sehingga natrium cair dapat dipompa kedalam wadah pencetak dingin tempat logam natrium memadat. Persamaan reaksi elektrolisisnya adalah : Katode : 2 Na+(NaCl) + 2e 2 Na (l) Anode : 2 Cl- (NaCl) Cl2 (g) + 2e Aluminium Logam aluminium juga diproduksi secara elektrometalurgi.Sumber utama aluminium berasal dari mineral bauksit yaitu suatu hidrat aluminium oksida, Al2O3.nH2O.Bauksit berisi sebagian besar silica, SiO2, dan besi (III) oksida, Fe2O3 dan keduanya ini harus dipisahkan. Pemurnian bauksit dolakukan dengan proses Bayer yang berdasarkan pada perbedaan sifat asam-basa dari oksida-oksida yang bersangkutan. Oksida aluminium bersifat amfoterik, besi (III) oksida bersifat basa, dan silica realtif inert atau sedikit asam. Bijih bauksit digerus dengan larutan panas natrium hidroksida dengan tekanan tinggi untuk melarutkan aluminium oksida menjadi garam kompleks tetrahidroksoaluminat (III), Na[Al(OH)4] menurut persamaan reaksi : Al2O3(s) + 2 NaOH (aq) + 3 H2O (l) 2 Na[Al(OH)4] (aq) Besi(III) oksida dan material lain sebagai pengotor yang tak larut dapat dipisahkan dengan penyaringan. Filtratnya kemudian diencerkan dengan air dan didinginkan sehingga diperoleh endapan aluminium hidroksida, endapan ini kemudian dipisahkan dengan penyaringan dan diubah menjadi aluminium oksida anhidrat dengan pemanasan, menurut persamaan reaksi : 2 Na[Al(OH)4] (aq) 2 Al(OH)3 (s) + 2 NaOH (aq) 2 Al(OH)3 (s) Al2O3(s) + 3 H2O (g) Larutan natrium hidoksida yang diperoleh dapat dipekatkan dan digunakan lagi. Logam aluminium, selanjutnya diperoleh dari oksidanya secara elektolisis menurut metode yang dikenal sebagai proses Hall. Dalam proses ini, sel elektrolisis (Gambar 2.3) berupa bak-kotak yang dibuat dari baja yang pada bagian dalamnya dilapisi dengan karbon sebagai katode, dan batang-batang karbon sebagai anode dipasang berjajar didalam bak, tercelup didalam elektrolit lelehan kriolit, Na3AlF6 yang mempunyai titik leleh ~1000oC, dan Al2O3 terlarut didalamnya. Proses elektolisis ini berlangsung pada temperatur tinggi, ~1000oC. Selama elektrolisis, ion Al3+ dari oksidanya bermigrasi kekatode kemudian direduksi menjadi logam cair yang akan mengumpul pada bagian dasar sel. Ion O2- bermigrasi keanode dan selanjutnya dioksidasi menjadi gas oksigen. Gas oksigen yang terbentuk bereaksi dengan anode karbon sehingga anode karbon akan semakin berkurang dan harus diganti secara periodik. Elektrolit [AlF6]3- tidak tereduksi karena mempunyai stabilitas yang sangat tinggi. Dengan proses ini dapat diperoleh aluminium dengan kemurnian 99,0-99,9%. Gambar 2.5 Bagan sel Heroult-Hall untuk produksi aluminium Hidrometalurgi Merupakan istilah umum untuk suatu proses yang melibatkan air dalam ekstraksi dan reduksi logam. Dalam proses peluluhan atau pelumeran, logam atau senyawanya terlarut dan lepas dari bijihnya atau langsung keluar dari endapan bijihnya oleh air, sehingga terbentuk larutan logam tersebut dalam air. Larutan ini dapat dimurnikan dan setelah itu, senyawa logam murni dapat direduksi langsung menjadi logamnya, sedangkan jika yang terbentuk berupa endapan dapat dipisahkan dengan penyaringan. Larutan hasil peluluhan sering dapat diregerasi dan dipakai kembali untuk proses peluluhan. Tembaga dapat diluluhkan oleh asam sulfat bersama oksigen, dan emas oleh larutan sianida bersama oksigen menurut persamaan reaksi berikut : 2 CuFeS2 (s) + H2SO4(aq) +4 O2 (g) 2CuSO4 (aq) + Fe2O3 (s) + 3 S (s) + H2O (l) bijih tembaga larutan peluluh 4 Au (s) + 8 CN-(aq) + O2 (g) + H2O (l) 4 [Au(CN)2]- (aq) + 4 OH-(aq) bijih emas larutan peluluh Setelah larutan ion logamnya terbentuk, lalu ion logam tersebut direduksi dengan logam lain yang lebih reaktif atau dengan pereduksi lain. Untuk kedua ion logam diatas, dipakai masing-masing logam besi dan zink sebagai reduktor menurut persamaan reaksi : CuSO4 (aq) + Fe (s) FeSO4 (aq) + Cu (s) 2 [Au(CN)2]-(aq) + Zn (s) 2 Au (s) + [Zn(CN)4]-(aq) Hidrometalurgi memberikan beberapa keuntungan : bijih tidak harus dipekatkan, melainkan hanya dihancurkan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil pemakaian batubara dan cokas pada pemanggangan bijih dan sekaligus sebagai reduktor dalam jumlah besar dapat dihilangkan polusi atmosfer oleh hasil samping pirometalurgi sebagai belerang dioksida, arsenic (III) oksida, dan debu tungku dapat dihindarkan untuk bijih-bijih peringkat rendah , metode ini lebih efektif. Logam Paduan (Aloi) Apabila leburan dari dua macam atau lebih logam dicampur atau leburan suatu logam dicampur dengan unsur-unsur nonlogam kemudian campuran yang terjadi didinginkan maka akan diperoleh suatu padatan. Padatan tersebut mungkin merupakan senyawa ionik, campuran sederhana, atau aloi (alloy). Kemungkinan mana yang akan terjadi tergantung pada sifat kimia serta ukuran relatif dari atom-atom unsur-unsur yang dileburkan. Aloi dapat terbentuk apabila dalam padatan yang diperoleh atom-atom yang ada tidak saling bereaksi serta tidak sekedar bercampur sau dengan yang lain dan masih menunjukkan sifat-sifat logam. Aloi disebut dengan lakur atau paduan.Aloi dapat merupakan larutan zat padat (solid solution) dengan komposisi yang bervariasi atau senyawa antarlogam (intermetalic compound) dengan komposisi dan struktur internal tertentu. Atom-atom dalam aloi diikat bersama oleh ikatan metalik seperti halnya dalam logam umumnya. Ikatan ini paralel dengan ikatan kovalen dalam nonlogam; ikatan kovalen mengikat pasangan atom-atom nonlogam yang sama maupun pasangan atom-atom nonlogam berbeda dalam membentuk molekulnya. Demikian juga ikatan metalik dalam aloi mengikat bersama atom-atom logam yang berbeda. Ada dua tipe aloi, yaitu larutan padat dan senyawa aloi.Dalam larutan padat, logam lelehan bercampur membentuk suatu campuran homogen. Untuk membentuk larutan padat, atom-atom kedua jenis logam itu harus mempunyai ukuran yang hampir sama dan struktur kristal metalik keduanya juga harus sama. Selain itu, sifat-sifat kimiawi keduanya juga harus mirip.Emas dan tembaga misalnya, membentuk satu fase tunggal dari campuran 100% emas ke 100% tembaga. Keduanya mempunyai jari-jari yang tidak terlalu besar bedanya yaitu 114 pm untuk emas dan 128 pm untuk tembaga, dan mempunyai struktur kemas yang sama yaitu ccp.Timbel dan timah mempuyai jari-jari yang tidak terllau jauh bedanya, masing-masing 175 pm dan 162 pm, tetapi timbel mengadopsi fcc sedangkan timah mengadopsi kemasan yang lebih rumit. Oleh karena itu, hanya sebagian kecil saja aloi yang dapat terbentuk dari timbel dan timah, danlarutan padat tidak lebih dari 20% timah. Akibatnya, kristal aloi ini diperkaya oleh titik leleh yang tinggi dari timbel tetapi larutannya membeku pada temperatur rendah, sehingga dapat digunakan pada pekerjaan patri dengan solder (campuran timbel dengan timah). Dalam beberapa kasus dengan struktur kristal yang berbeda dari dua komponen logam, campuran logam lelehan akan menghasilkan persis fase-fase stoikiometrik yaitu dengan komposisi atom-atom bilangan bulat. Sebagai contoh, tembaga dan zink membentuk tiga macam senyawa aloi, CuZn (-kuningan), Cu5Zn8 (-kuningan), dan CuZn3 (-kuningan). Formula ini berdasarkan kaidah Hume-Rothery yaitu rasio jumlah elektron valensi terhadap jumlah atom dalam senyawa menunjukkan nilai yang teratur (kecuali bagi logam golongan 8, 9 dan 10 yang dianggap tidak menyediakan elektron valensi untuk ikatan metalik). Dengan perhitungan satu elektron valensi bagi tiap atom tembaga dan dua bagi tiap atom zink, akan diperoleh rasio jumlah elektron valensi total per jumlah atom total sebagaimana yang ditunjukkan tabel berikut ini. Rasio jumlah elektron valensi per jumlah atom = 3 elektron/2 atom atau 21 elektron/14 atom = 21 elektron/13 atom = 7 elektron/4 atom atau 21 elektron/12 atom CuZn Cu5Zn8 CuZn3 AgZn Ag5Zn8 AgZn3 AuZn Cu9Al4 Ag5Al3 AgCd Cu31Sn8 Cu3Sn Cu3Al Na31Pb8 Cu3Si Cu5Sn Rh5Zn21 CoAl Pt5Zn21 FeAl NiAl Tabel diatas mengindikasikan bahwa, senyawa aloi ini ada hubungannya dengan jumlah elektron valensi 21 untuk setiap paduan. Naiknya rasio jumlah elektron valensi terhadap jumlah atom dalam senyawa aloi mengakibatkan atom-atom logam terikat bersama lebih kuat, sehingga menaikkan sifat kekerasan, tetapi menurunkan sifat tempa dan keuletan. Jadi, -kuninganbersifat rapuh, dan bila dipukul dengan palu akan hancur seperti gelas Beberapa aloi digunakan berdasarkan sifat-sifatnya misalnya kuningan yang merupakan campuran dari Cu: 70-85% dan Zn: 15-30%, lebih keras daripada tembaga murni dan sering digunakan sebagai pipa. Emas 18 karat yang terdiri atas campuran Au: 75%, Ag: 10-20%, Cu: 5-15%, lebih keras dibandingkan dengan emas murni. Stainless steel terdiri atas campuran Fe: 65-85%, Cr: 12-20%, Nii: 2-15%, Mn: 1-2%, C: 0,1-1%, Si: 0,5-1%, dan bersifat tahan karat. Jenis-jenis Aloi Aloi Selitan Sebagaimana telah diketahui bahwa dalam kristal logam yang atom-atomnya membentuk susunan rapat heksagonal atau susunan oktahedral. Dalam kristal logam yang atom-atomnya membentuk susunan kubus berpusat badan atau susunan yang lain juga terdapat tempat-tempat selitan. Jumlah tempat selitan tersebut banyak sekali. Atom logam yang lain atau atom nonlogam yang ukurannya sama atau lebih kecil dari ukuran tempat selitan yang ada dapat menempati tempat selitan tersebut sehingga terbentuk aloi selitan. Ditempatinya tempat-tempat selitan oleh atom-atom logam atau oleh atom-atom nonlogam yang ukurannya sama atau lebih kecil dianggap tidak merubah struktur dari atom-atom kristal logam murninya. Apabila perbandingan jari-jari atom unsur yang dipadukan dengan jari-jari atom logam murni berkisar antara0,225-0,414 maka atom-atom dari unsur yang dipadukan akan menempati tempat selitan tetrahedral. Apabila perbandingan jari-jari atom unsur yang dipadukan dengan jari-jari atom unsur yang dipadukan dengan jari-jari atom logam murni berkisar antara 0,414-0,732 maka atom-atom dari unsur yang dipadukan akan menempati tempat selitan oktahedral. Atom hidrogen karena ukurannya relatif kecil dapat menempati tempat selitan tetahedral, akan tetapi atom-atom kecil yang lain seperti boron, karbon, dan nitrogen cenderung menempati tempat selitan oktahedral. Aloi selitan ada dua macam yaitu aloi selitan acak (random) dan aloi selitan teratur.Pada aloi selitan acak atom-atom dari unsur yang dipadukan mengisi tempat-tempat selitan pada logam induk secara acak, sedangkan pada aloi selitan teratur atom-atom dari unsur yang dipadukan mengisi tempat-tempat selitan pada logam induk secara teratur dan berulang (periodik). Salah satu model susunan atom-atom pada aloi selitan acakdan aloi selitan teratur adalah sebagai berikut: Aloi selitan acak diperoleh apabila leburan aloi didinginkan secara cepat.Untuk memperoleh aloi selitan teratur perlu pendinginan leburan aloi secara lambat. Hubungan antara keteraturan susunan atom-atom daalam aloi dengan waktu pendinginan leburan aloidapat dianalogikan dengan pembentukan susunan mahasiswa yang akan mengikuti tes. Biasanya pada waktu tes mahasiswa tidak boleh duduk berdampingan.Sering kali pengisisan tempat duduk dengan pola kosong-isi-kosong-isi.Seandainya ada 50 mahasiswa yang mmengikuti tes dan mereka hanya diberi waktu satu menit untuk membentuk susunan kosong-isi-kosong-isi, maka susunan tersebut cenderung sulit untuk dibetuk.Berbeda halnya bila mereka diberi waktu 5 menit untuk mengatur diri, maka susunan yang diharapkancenderung lebih mudah terbentuk. Komposisi dari aloi selitan yang diperoleh tergantung pada banyaknya tempat selitan yang ditempati oleh atom-atom dari unsur yang dipadukan, sehingga sifat fisik dari aloi selitan yang diperoleh adalah bervariasi. Secara umum sifat fisik dari aloi selitan adalah sebagai berikut: Struktur kristal dari logam induk pada aloi sama seperti struktur logam dalam kristal murninya ditunjukkan pada gambar diatas. Dapat menghantarkan panas dan listrik. Lebih keras tetapi lebih rapuh dibandingkan logam murninya. Lebih sulit ditempa atau diregangkan dibandingkan logam murninya. Massa jenisnya lebih tinggi dibandingkan massa jenis logam murninya. Titik leburnya relatif lebih tinggi dibandingkan titik lebur logam murninya. Kereaktifan logam dalam aloi selitan cenderung lebih rendah dibandingkan kereaktifan logam murninya. Hal ini disebabkan karena tertutupnya sebagian permukaan dari logam murni oleh atom-atomunsur yang dipadukan. Aloi borida, karbida, dan nitrida cenderung bersifat lembam (inert), mempunyai titik lebur yang sangat tinggi dan keras sekali. Aloi besi dan karbon adalah penting untuk membuat baja karbon. Pada aloi ini atom-atom besi membentuk susunan kubus berpusat badan (bcc). Atom-atom karbon yang dipadukan menempati sebagian tempat selitan oktahedral yang terdapat pada susunan tersebut. Baja karbon mengandung 0,2-1,6% atom C. Baja karbon ada tiga kategori yaitu baja karbon rendah, sedang dan tinggi. Baja karbon rendah mengandung atom karbon sampai 0,25%, baja karbon sedang mengandung 0,25-0,45% atom karbon, baja karbon tinggi mengandung 0,45-1,6% atom karbon. Baja karbon semakin keras dan semakin kuat dengan bertambahnya persentase atom C, akan tetapi semakin sulit ditempa atau diregangkan. Massa jenis aloi selitan selalu lebih besardibandingkan massa jenis logam murninya karena beberapa tempat selitan yang semula kosong terisi oleh atom dari unsur yang dipadukan. Massa jenis aloi selitan semakin besar dengan bertambahnya persentase tempat selitan yang terisi oleh atom dari unsur yang dipadukan. Aloi substitusi Pada aloi substitusi atom-atom dari unsur yang dipadukan menggantikan sebagian atom-atom dari logam murni. Aloi substitusi terjadi apabila ukuran dari atom-atom unsur yang dipadukan lebih besar dari ukuran tempat selitan tetrahedral dan tempat selitan oktahedral yang ada di dalam kristal logam murninya. Ada dua macam aloi substitusi yaitu aloi substitusi acak (random substitutional alloy) dan aloi substitusi teratur (ordered substitusi alloy) atau kisi super (superlattice). Pada aloi substitusi acak atom-atom dari unsur yang dipadukan menggantikan posisi dari sebagian atom-atom logam murninyayang secara tidak teratur, sedangkan pada aloi substitusi teratur atom-atom dari unsur yang dipadukan menggantikan posisi dari sebagian atom-atom logam murninya secara teratur dan periodik. Salah satu model susunan atom-atom pada aloi substitusi acak dan aloi substitusi teratur adalah sebagai berikut: Seperti halnya pada pembuatan aloi selitan, aloi substitusi acak diperoleh apabila leburan aloi didinginkan secara cepat.Untuk memperoleh aloi substitusi teratur perlu pendinginan leburan aloi secara lambat. Aloi substitusi dari dua macam logam atau lebih dapat terbentuk dengan rentangan komposisi tertentu atau dengan segala komposisi.Aloi dengan segala komposisi terbentuk apabila logam-logam yang dipadukan dapat membentuk larutan zat padat (solid solution) dengan sembarang komposisi. Menurut Hume dan Rothery aloi substitusi dengan segala komposisi dapat terjadi antara dua macam logam apabila tiga syarat di bawah ini terpenuhi, yaitu: Perbedaan jari-jari atom logam yang dipadukan tidak lebih dari 15%. Dua logam yang dipadukan memiliki struktur kristal yang sama. Dua logam yang dipadukan memiliki sifat kimia, khususnya elektrovalensi yang sama. Aloi substitusi dengan segala komposisi dapat terbentuk antara logam emas dan tembagakarena dua logam tersebut memiliki struktur kristal yang sama (ccp), elektron valensi yang sama (keduanya golongan II dan IB) dan perbedaan jari-jari atomnya adalah kurang dari 12,5%. Tembaga dan nikel juga dapat membentuk aloi substitusi dengan segala komposisi karena dua logam tersebut memiliki struktur kristal yang sama (ccp), keelektropositifan yang hampir sama (perbedaan keelektropositifannya kecil, = 2,00, = 1,91)dan perbedaan jari-jari atomnya hanya 2,4%. Apabila satu, dua, atau tiga persyaratan di atas tidak terpenuhi maka dua logam yang dipadukan hanya dapat membentuk aloi substitusi dengan rentangan komposisi tertentu. Dalam hal ini ada kecenderungan bahwa rentangan komposisi yang diperoleh semakin kecil dengan semakin banyaknya persyaratan yang tidak terpenuhi. Zink (Zn) dan tembaga (Cu) hanya dapat membentuk aloi yang disebut -kuningan (-brass) dengan komposisi maksimal atom Zink 38%. Hal ini terjadi karena keduanya memiliki struktur kristal yang berbeda (Zn mengadopsi susunan hcp, Cu mengadopsi susunan ccp) meskipun perbedaan jari-jari atomnya hanya 7,03%. Rumus dari -kuningan adalah (0 < x < 38%) dan struktur kristalnya sama dengan struktur kristal tembaga. Timah (Sn) dan timbel (Pb) membentuk aloi substitusi dengan rumus (2 < x < 63%). Sn dan Pb hanya membentuk aloisubstitusi dengan rentangan komposisi tertentu karena struktur kristal keduanya berbeda (Sn mengadopsi struktur intan, Pb mengadopsi susunan ccp) meskipun keduanya memiliki elektron valensi yang sama dan perbedaan jari-jari atom hanya 8,02%. Aloi dari Sn dan Pb dengan komposisi atom Sn sekitar 30% disebut solder. Nikel (Ni) dan titanium (Ti) membentuk aloi yang disebut nitinol. Nitinol memiliki sifat yang istimewa karena dapat mengingat bentuknya semula sehingga seringkali disebut aloi yang memiliki ingatan. Bentuk asli yang dapat diingat oleh nitinol diperoleh dengan memanaskan aloi nikel dan titanium pada temperatur 500-550 selama sekitar satu jam dan setelah itu aloi tersebut dibiarkan mengalami pendinginan. Pada temperatur rendah aloi tersebut adalah cukup lunak sehingga mudah dibengkokkan atau ditekuk sehingga bentuknya berubah dari bentuk aslinya. Pada waktu dihangatkan aloi tersebut kembali ke bentuk aslinya. Nitinol ditemukan pada tahun 1960 oleh William J. Buchler, seorang insinyur metalurgi pada Naval Ordnance Laboratory di White Oak, Maryland USA. Nama nitinol diambil dari nikel, titanium dan Naval Ordnance Laboratory. Nitinol memiliki banyak kegunaan, seperti untuk bingkai (frame) kacamata. Dalam bidang kedokteran nitinol dapat digunakan untuk membuat kawat parapi gigi (brace), dan untuk mengganti persendian tulang paha yang rusak. Aloi substitusi yang mengandung lebih dari dua macam logam juga dapat terbentuk. Alnico misalnya, merupakan aloi yang digunakan untuk membuat magnet pada pengeras suara karena memiliki sifat magnetik yang permanen. Alnico merupakan aloi dari lima macam logam yaitu Al (8%), Ni (14%), Co (24%), Cu (3%), dan Fe (51%). Di samping aloi selitan dan aloi substitusi, ada juga aloi yang merupakan gabungan dari aloi selitan dan aloi substitusi. Salah satu contohnya adalah baja tahan karat (stainless steel). Aloi ini terdiri atas besi, karbon, kromium (18-20%) dan nikel (8-12%). Pada baja tahan karat atom karbon menempati sebagian tempat selitan oktahedralyang ada, sedangkan atom kromium dan nikel menggantikan sebagian posisi dari atom-atom besi. Salah satu model susunan atom-atom pada baja tahan karat adalah sebagai berikut: Baja tahan karat mungkin mengandung unsur lain selain kromium dan nikel. Beberapa unsur yang terdapat pada baja tahan karat beserta fungsinya dapat dilihat pada tabel berikut ini: Logam Persentase yang ditambahkan Pengaruh pada sifat baja yang diperoleh Tembaga 0,2-1,5 Meningkatkan ketahanan terhadap korosi Nikel 0,1-1 Memberikan permukaan yang bagus Niobium 0,02-0,12 Meningkatkan kekuatan regang Nitrogen 0,03 Meningkatkan kekuatan kekuatan Mangan 0,2-1,6 Meningkatkan kekuatan kekuatan Vanadium Sampai 0,2 Meningkatkan kekuatan kekuatan Beberapa aloi yang penting secara komersial adalah sebagai berikut: Nama umum Logam induk Komposisi (persen massa) Sifat Contoh kegunaan Alconi Fe Al (8), Ni (14), Co (24), Cu (3), dan Fe (51) Magnetik Magnet Amalgam gigi Hg Hg (50), Ag (35), dan Sn (15) Mudah dibentuk Pengisi gigi berlubang Baja invar Fe Fe (64), Ni (36), dan C (0,5) Memiliki koefisien muai yang kecil Meteran, pita pengukur Baja karbon Fe Fe (98,4-99,8) dan C (0,2-1,6) Keras Kerangka bangunan Baja kecepatan tinggi (high speed steel) Fe Fe (80-86), W (14-20) dan C (0,5) Sifatnya berubah pada kecepatan tinggi Alat pemotong dengan kecepatan tinggi Baja mangan Fe Fe (82-90), Mn (10-18) dan C (0,5) Keras dan tahan beban Rel kereta api, kendaraan tempur Baja nikel Fe Fe (96-98), Ni (2-4) dan C (0,5) Keras, elastis, tahan korosi Kabel, roda gigi Baja silikon Fe Fe (95-99), Si (1-5) dan C (0,5) Keras, kuat dan bersifat magnetik Magnet Duriron Fe Fe (84(, Si (14), C (1) dan Mn (1) Tahan korosi dan tahan asam Pipa, ceret, dan kondensor Emas 10 karat Au Au (42), Ag (12-20) dan Cu (5-15) Tahan lama Perhiasan Emas 18 karat Au Au (75), Ag (10-20) dan Cu (5-15) Tahan lama Perhiasan Gunmetal Cu Cu (88), Sn (10) dan Zn (2) Tahan benturan dan tekanan Laras senapan, bagian dari mesin Kuningan Cu Cu (67-90), dan Zn (10-33) Mudah diregangkan Pipa Lead shot Pb Pb (99,8) dan As (0,2) Keras dan tahan korosi Selongsong peluru Magnalium Al Al (70-90), dan Mg (10-30) Massa jenisnya rendah Badan pesawat terbang Monel Ni Ni (60-70), Cu (25-35), Fe dan Mn dengan persentase yang bervariasi Tahan korosi Peralatan bagian dari mesin Nikrom Ni Ni (60), Fe (25) dan Cr (15) Memiliki daya tahan yang tinggi Kabel listrik Pelat baterei timbel Pb Pb (94) dan Sb (6) Cukup tahan korosi Baterei Perak jerman (albata) Cu Cu (60), Zn (25) dan Ni (15) Tahan korosi Teko, keran Perak solder Ag Ag (63), Cu (30) dan Zn (7) Titik lebur yang tinggi Solder dengan titik lebur tinggi Perak sterling Ag Ag (92,5) dan Cu (7,5) Berkilauan Perhiasan Perunggu Cu Cu (70-95), Zn (1-25) dan Sn (1-18) Mudah dibentuk Medali, bel Perunggu alumunium Cu Cu (90) dan Al (10) Keras dan kuat Bak atau rumah mesin dan batang penghubung Pewter Sn Sn (70-95), Sb (5-15) dan Pb (0-15) Tahan korosi Peralatan makan dan minum Solder Pb Pb (67) dan Sn (33) Titik lebur rendah Sambungan solder 3 AL-2,5V Ti Ti (94,5), Al (3) dan V (2,5) Kuat dan ringan Frame sepeda Wood’s metal Bi Bi (50), Pb (25), Sn (13) dan Cd (12) Titik lebur rendah Sistem penyiraman air otomatis Aloi Senyawa Senyawa antar logam disebut juga dengan aloi senyawa (compound alloy). Senyawa antarlogam memiliki rumus formula dan struktur kristal yang cenderung berbeda dengan struktur kristal logam penyusunnya. Beberapa contoh senyawa antarlogam dan kegunaannya adalah sebagai berikut: Rumus kimia Kegunaan Co3Sm Magnet yang ringan dan kuat untuk audio headset Cr3Pt Pisau cukur yang ketajamannya tahan lama CuAl2(duralumin) Peralatan yang tahan korosi oleh asam dan air laut Cu3Al - Cu9A14 - Cu3Au - CuZn( Pipa MgZn2 - NaTl - Na5Zn21 - Nb3Sn Superkonduktor Ni3Al Komponen utama mesin jet Berdasarkan contoh-contoh pada tabel diatas, diketahui bahwa: Rumus kimia senyawa antarlogam tidak tergantung pada valensi logam. Senyawa antarlogam dapat terbentuk dari dua macam logam yang perbedaan keelektronegatifannya kecil. Dua macam logam dapat membentuk lebih dari satu macam senyawa antarlogam. Pembuatan Aloi Aloi dibuat secara komersial dengan melelehkan logam aktif, kemudian lelehan yang dihasilkan didinginkan (quenching) dan selanjutnya ditumbuk menjadi bubuk halus.Bubuk ini kemudian dapat dicadar untuk ukuran partikel tertentu tergantung pada aplikasi yang digunakan. Komposisi aloi awal sangatlah penting karena proses pendinginan menghasilkan berbagai fase yang berbeda-beda yang memiliki sifat-sifat pelindian (leaching) yang berbeda pula. Selama proses pendinginan, sejumlah kecil logam dapat ditambahkan. Hal ini dilakukan untuk meningkatkan aktivitas katalitik. Adapun proses paduan logam (alloy) besi, misalnya baja. Baja diproduksi dalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas (skrap) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembuatan baja, diantaranya adalah: Proses Konventor Konvertor adalah bejana yang berbentuk bulat lonjong terbuat dari pelat baja. Bagian dalam dilapisi dengan batu tahan api yang berfungsi untuk menyimpan panas yang hilang sekaligus menjaga supaya pelat baja tidak lekas aus. Bejana tersebut dapat diputar pada kedua porosnya.pada bagian bawah konvertor terdapat saluran-saluran yang berdiameter antara 15 - 20 mmsebanyak 120 - 150 buah. Melewati poros yang satu dialirkan udara yang bertekanan 1.5 - 2 atmosfer. Sedangkan pada poros yang lain dihubungkan dengan roda gigi untuk mengatur kedudukan konvertor.Proses  pembuatan baja dapat diartikan sebagai proses yang bertujuan mengurangi kadar unsur C, Si, Mn, P, dan S dari besi mentah dengan proses oksidasi peleburan . Konventer untuk proses “oksidasi berkapasitas antara 50-400 ton”. Besi kasar dari tanur yang dituangkan ke dalam konventer disemburkan oksigen dari atas melalui pipa sembur yang bertekanan kira-kira 12 atm.Reaksi yang terjadi: O2+CCO2 Penyemburan Oksigen berlangsung antara 10-20 menit. Penambahan waktu penyemburan akan mengakibatkan terbakarnya C, P, Mn dan Si.  Konvertor dibuat dari plat baja dengan sambungan las atau paku keling. Bagian dalamnya dibuat dari batu tahan api. Konvertor disangga dengan alat penyangga yang dilengkapi dengan trunnion untuk mengatur posisi horizontal atau vertikal Konvertor.Pada bagian bawah konvertor terdapat lubang-lubang angin (tuyer)sebagai saluran udara penghembus (air blast). Batu tahan api yang digunakan untuk lapisan bagian dalam Konvertor dapat bersifat asam atau basa tergantung dari sifat baja yang diinginkan. Secara umum proses kerja konverter adalah: Dipanaskan dengan kokas sampai suhu 15000C. Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja (+1/8 dari volume konverter). Konverter ditegakkan kembali. Dihembuskan udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dengan kompresor. Setelah 20 – 25 menit konverter dijungkirkan untuk mengeluarkan hasilnya. Proses Bessemer diinginkan baja bersifat asam sehingga batu tahan apinya harus bersifat asam (Misal : kwarsa atau aksid asam SiO2). Besi mentah cair yang digunakan dalam proses Bessemer harus mempunyai kadar unsur Si <= 2%; Mn <= 1,5%; kadar unsur P dan S sekecil mungkin. Ketika udara panas dihembuskan lewat besi mentah cair, unsur-unsur Fe, Si dan Mn terbakar menjadi oksidasinya. Sebagian oksida besi yang terbentuk pada reaksi di atas akan berubah menjadi terak dan sebagian lagi akan bereaksi dengan Si dan Mn.Reaksi-reaksi di atas diikuti dengan kenaikan temperatur dari 1250  ke 1650 . Dari reaksi di atas akan terbentuk terak asam kira-kira 40 - 50% SiO2. Periode ini disebut periode  pembentukan terak (the slag forming period). Periode ini disebut juga periode “Silicon Blow”. Periode ini berlangsung sekitar 4 - 5 menit yang ditandai adanya bunga api dan ledakan keluar dari mulut konvertor. Pada periode ke dua yang disebut “The brilliant flame blow” atau “Carbon blow” dimulai setelah Si dan Mn hampir semuanya terbakar dan keluar dari besi mentah cair.Pada periode ke dua ini unsur C akan terbakar oleh panas FeO dengan reaksi yang diikuti dengan penurunan temperatur + 50 - 80% dan berlangsung + 8 - 12 menit. CO akan keluar dari mulut konvertor dimana CO ini akan teroksidasi oleh udara luar dengan ditandai dengan timbulnya nyala api bersinar panjang di atas konvertor. Periode ketiga disebut “Reddisk Smoke period” yang merupakan periode brilliant flame terakhir. Periode ini ditandai adanya Reddish smoke (nyala api ke merah-merahan) keluar mulut konvertor .Hal ini menunjukkan bahwa unsur campuran yang terdapat dalam besi mentah telah keluar dan tinggal oksida besi FeO. Periode ini berlangsung ±1-2 menit. Kemudian konvertor diputar sehingga posisinya menuju posisi horizontal, lalu ditambahkan oksider (ferromanganesh, ferrosilicon atau Al) untuk mengikat O2 dan memadunya dengan baja yang dihasilkan. Baja Bessemer yang dihasilkan dengan proses di atas mengandung sangat sedikit unsur C. Untuk baja Bessemer, kadar unsur C dapat dinaikkan dengan cara : mengurangi udara penghembus terutama pada periode ke dua. menambah C pada periode ke tiga hampir berakhir yaitu dengan menambahkan besi mentah. Berat logam pada proses Bessemer ini akan berkurang ± 8 – 12%. Hasil dari konvertor Bessemer disebut baja Bessemer yang banyak digunakan untuk bahan konstruksi. Proses Bessemer juga disebut proses asam karena muatannya bersifat asam dan batu tahan apinya juga bersifat asam. Apabila digunakan muatan yang bersifat basa lapisan batu itu akan rusak akibat reaksi penggaraman Konvertor Thomas juga disebut konvertor basa dan prosesnya adalah proses basa, sebab batu tahan apinya bersifat basa serta digunakan untuk mengolah besi kasar yang bersifat basa. Muatan converter. putih yang banyak mengandung fosfor. Proses pembakaran sama dengan proses pada konvertor Bessemer. Hanya saja pada proses Thomas fosfor terbakar setelah zat arangnya terbakar. Pengaliran udara tidak terus-menerus dilakukan karena besinya sendiri akan terbakar. Pencegahan pembakaran itu dilakukan dengan menganggap selesai prosesnya walaupun kandungan fosfor masih tetap tinggi. Guna mengikat fosfor yang terbentuk pada proses ini maka diberi bahan tambahan batu kapu agar menjadi terak. Terak yang bersifat basa ini dapat dimanfaatkan menjadi pupuk buatan yang dikenal dengan nama pupuk fosfat. Hasil proses yang keluar dari konvertor Thomas disebut baja Thomas yang biasa digunakan sebagai bahan konstruksi dan pelat ketel. Proses Thomas disebut juga “Basic Bessemer Process” yaitu proses Bessemer dalam keadaan basa. Proses ini memakai Converter yang di bagian dalamnya dilapisi bahan tahan api (refractory) bersifat basa seperti dolomite (MgCO3.CaCO3). Pertama-tama konverter diisi dengan batu kapur, kemudian besi mentah (pig iron) cair yang mengandung unsur phosfor (P) : 1,6 - 2% ; dan sedikit Si dan S (0,6% Si, 0,07 % S). Pada periode I (Slag forming period = Silicon blow) yaitu pada saat penghembusan, unsur Fe, Si, Mn akan teroksider dan terbentuklah terak basa (basic slag). Dengan adanya batu kapur, akan terjadi kenaikan temperatur, tetapi unsur phosfor (P) yang terkandung dalam besi mentah belum dapat dipisahkan dari Fe. Pada periode ke II (The brilliant flame blow = Carbon blow) yang ditandai dengan adanya penurunan temperatur, dimana Carbon (C) akan terbakar, berarti kadar C menurun. Jika kadar C tinggal 0,1 - 0,2%, maka temperatur akan turun menjadi 1400ºC - 1420ºC. Setelah temperatur turun menjadi 1400ºC, mulailah periode ke III (Reddish Smoke Periode) yaitu terjadinya oksidasi dari Fe secara intensif dan terbentuklah terak.  Peristiwa ini berlangsung ±3 - 5 menit, dan selanjutnya terbentuklah terak Phospor [CaO)4.P4O5] yang diikuti kenaikan temperatur yang mendadak menjadi 1600ºC. Setelah periode ke III ini berakhir, hembusan udara panas dihentikan dan konverter dimiringkan untuk mengeluarkan terak yang mengapung di atas besi cair. Kemudian diberi doxiders/deoxidising agents misalnya Ferro Monggan, Ferro Silicon atau Aluminium untuk menghilangkan Oksigen (O2) serta memberikan kadar Mn dan Si supaya diperoleh sifat-sifat tertentu dari baja yang dihasilkan. Terak yang dihasilkan mengandung ±22% P2O5 merupakan hasil ikatan yang diperoleh dan dapat digunakan sebagai pupuk tanaman. Baja yang dihasilkan digunakan sebagai bahan dalam proses pengecoran seperti pembuatan baja tuang atau baja profil (steel section) seperti baja siku, baja profil I. Proses Tanur Oksigen Basah a)  Proses Peleburan Baja Dengan BOF Proses ini menempati 70% proses produksi baja di Amerika Serikat. Merupakan modifikasi dari proses Bessemer. Proses Bessemer menggunakan uap air panas ditiupkan pada besi kasar cair untuk membakar zat kotoran yang tersisa.Proses BOF memakai oksigen murni sebagai ganti uap air.Bejana BOF biasanya berdiameter dalam 5m mampu memproses 35 – 200 ton dalam satu pemanasan. Peleburan Baja Dengan BOF ini juga termasuk proses yang paling baru dalam industri pembuatan baja. Konstruksi tungku BOF relatif sederhana, bagian luarnya dibuat dari pelat baja sedangkan dinding bagian dalamnya dibuat dari bata tahan api (firebrick). Proses tanur oksigen basa ( Basix Oxygen Furnace, BOF) menggunakan besi kasar cair (65 – 85%) yang dihasilkan oleh tanur tinggi sebagai bahan dasar utama dicampur dengan besi bekas (skrap baja) sebanyak (15 – 35%), batu kapur dan gas oksigen (kemurnian 99,5%). Panas ditimbulkan oleh reaksi dengan oksigen.Gagasan ini dicetuskan oleh Bessemer sekitar tahun 1800. Besi bekas sebanyak ± 30% dimasukkan kedalam bejana yang dilapisi batu tahan api basa. Logam panas dituangkan kedalam bejana tersebut. Suatu pipa aliran oksigen yang didinginkan dengan air dimasukkan  kedalam bejana 1 sampai 3 m diatas permukaan logam cair. Gas oksigen akan mengikat karbon dari besi kasar berangsur – angsur turun sampai mencapai tingkat baja yang dibuat. Proses oksidasi berlangsung terjadi panas yang tinggi sehingga dapat menaikkan temperatur logam cair sampai diatas 1650ºC. Pada saat oksidasi berlangsung ke dalam tungku ditambahkan batu kapur. Batu kapur tersebut kemudian mencair dan bercampur dengan bahan – bahan impuritas (termasuk bahan – bahan yang  teroksidasi) membentuk terak yang terapung diatas baja cair. Bila proses oksidasi selesai maka aliran oksigen dihentikan dan pipa pengalir oksigen diangkat / dikeluarkan dari tungku. Tungku BOF kemudian dimiringkan dan benda uji dari baja cair diambil untuk dilakukan analisa komposisi kimia.Bila komposisi kimia telah tercapai maka dilakukan penuangan (tapping). Penuangan tersebut dilakukan ketika temperature baja cair sekitar 1650ºC. Penuangan dilakukan dengan memiringkan perlahan – lahan sehingga cairan baja akan tertuang masuk kedalam ladel. Di dalam ladel biasanya dilakukan skimming untuk membersihkan terak dari permukaan baja cair dan proses perlakuan logam cair (metal treatment). Metal treatment tersebut terdiri dari proses pengurangan impuritas dan penambahan elemen – elemen pemadu atau lainnya dengan maksud untuk memperbaiki kualitas baja cair sebelum dituang ke dalam cetakan. Jenis baja yang dihasilkan oleh proses ini adalah Baja karbon dan Baja paduan 0,1 % < c < 2,0 % b)  Kelebihan proses BOF dibandingkan proses pembuatan baja lainnya : -  Dari segi waktu peleburannya yang relatif singkat yaitu hanya berkisar sekitar 60 menit untuk setiap proses peleburan. -  Tidak  perlu  tuyer dibagian bawah.. -  Phosphor  dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon. -  Biaya operasi murah. Proses Open Heath Furnace Pada proses Open-Hearth digunakan campuran besi mentah (pig iron) padat atau cair dengan baja bekas (steel scrap) sebagai bahan isian (charge). Pada proses ini temperatur yang dihasilkan oleh nyala api dapat mencapai 1800ºC. Bahan bakar (fuel) dan udara sebelum dimasukkan ke dalam dapur terlebih dahulu dipanaskan dalam “Cheekerwork” dari renegarator. Proses pembuatan baja dengan cara Open-Hearth ini meliputi 3 periode yaitu : Periode memasukkan dan mencairkan bahan isian. Periode mendidihkan cairan logam isian. Periode membersihkan/memurnikan (refining) dan deoksidasi Bahan bakar yang dipakai adalah: campuran blast furnace gas dan cokes oven gas. Bahan isian : besi mentah dan baja bekas beserta bahan tambah ditaruh dalam heart lewat puntu pengisian.Proses pembuatan baja dengan cara Open-Hearth furnace ini dapat dalam keadaan basa atau asam (basic or acid open-hearth). Pada basic open-hearth furnace, dinding bagaian dalam dapur dilapisi dengan magnesite brick.Bagian bawah untuk tempat logam cair dan terak dari bahan magnesite brick atau dolomite harus diganti setiap kali peleburan selesai.Terak basa yang dihasilkan ±40 - 50 % CaO. Pada acid open-hearth furnace, dinding bagian dalam dapur dilapisi dengan dinas-brick.Bagian bawah dinding dapur harus diganti setiap kali peleburan selesai.Terak yang dihasilkan mengandung silica yang cukup tinggi yaitu 50 - 55 % SiO2. Pada proses basic ataupun acid dapat menggunakan bahan isian padat ataupun cair. Proses yang menggunakan isian padat biasa disebut “Scarp and pig process” yaitu proses yang isian padatnya terdiri dari besi mentah (pig iron), baja bekas (Scrap steel) dan sedikit bijih besi (iron ore). Proses yang mengggunakan besi mentah cair terdiri dari besi mentah cari ± 60 % dan baja bekas kira-kira 40 % dan sedikit bijih besi dan bahan tambah. Cara ini biasa dikerjakan pada perusahaan dapur tinggi (blast furnace) dimana besi mentah cair dari dapur tinggi tersebut langsung diproses pada open-hearth furnace. Proses Basic Open-Hearth Pada proses basic open-hearth ini, mula-mula ke dalam dapur dimasukkan baja bekas (scarp steel) yang ringan kemudian baja bekas yang berat. Setelah itu ditambahkan bahan tambah (batu kapur) dan bijih besi yang diperlukan untuk membentuk terak pertama.  Pada akhir proses peleburan, sebagian Phospor (P) yang terdapat dalam besi mentah akan berubah menjadi terak . Untuk menjaga agar terak tidak masuk/berekasi kembali dengan logam cair, maka kira-kira 40% - 50% terak tersebut lekas dikeluarkan dan juga perlu ditambahkan batu kapur untuk membentuk terak yang baru. Sebagian Sulfur (S) dapat dikeluarkan dari logam dengan reaksi : Reaksi ini diikuti dengan kenaikan temperatur yang tinggi dan terak CaS yang terjadi berupa terak basa.Macam-macam baja paduan dapat dihasilkan dalam open-hearth furncae, yaitu dengan menambahkan bahan paduan yang dikehendaki seperti : tembaga, chrome, nikel dan sebagainya. Untuk deoxidasi terakhir, biasanya dengan menambahkan Alumunium ke dalam kowi tempat menampung/mengetap baja cair yang dihasilkan agar kadar silicon dapat dibatasi. Pertama-tama baja bekas dan batu kapur dimasukkan ke dalam dapur.Kemudian dipanaskan sampai temperatur yang cukup, lalu bahan isian cair dimasukkan lewat pintu pemasukan.Reaksi kimia terjadi serupa dengan di atas. Proses Acid Open-Hearth Proses acid open-hearth membutuhkan bahan isian berkualitas lebih baik dengan kadar Phospor P < 0,03% dan kadar Sulphur S < 0,03%. Proses ini biasanya memakai bahan isian padat dengan 30 - 50 % berat baja bekas. Kandungan Silicon dipertahankan < 0,6%, kandungan Silicon ini perlu dipertahankan dalam kadar yang rendah sebab pada akhir periode pemanasan, kandungan Silicon akan naik. Pada proses ini, biji besi tidak boleh ditambahkan pada bahan isian, dimana hal itu dapat menimbulkan reaksi dengan Silica pada bagian tungku berupa 2FeO.SiO2. Setelah pengisian dan pemanasan, besi, Silicon dan Mn dioksidasi dan bersatu dengan bahan tambah dan membentuk terak pertama (±40% SiO2). Efisiensi Ekonomis Operasi Open-Hearth Furnace Faktor-faktor ekonomis yang utama pada operasi Open-hearth furnace adalah : Pemakaian bahan bakar setiap ton berat baja yang dihasilkan. Produksi baja dalam ton berat, setiap m2 luas tungku dalam tiap 24 jam. Pemakaian bahan bakar setiap berat baja cair tergantung pada banyak faktor, antara lain : Komposisi bahan isian (charge) Thermal capacity dari dapur. Pada prakteknya diperlukan panas 700 - 1400 Kcal untuk setiap kg baja.Untuk keperluan ini biasa digunakan bahan bakar ±10 -25 % dari berat baja yang dihasilkan. Untuk bahan isian cair akan memerlukan bahan bakar yang sedikit dibandingkan dengan bila bahan isian padat. Produksi baja dalam ton tiap m2 luasan tungku dihitung berdasarkan produksi out put dapur dalam ton berat dibagi luasan tungku Q/m2. Cara untuk menaikkan efisiensi ekonomis adalah dengan cara menggunakan udara yang banyak mengandung Oksigen untuk membakar bahan bakar. Dengan cara ini, temperatur nyala api (flame) dapat naik sehingga radiasi dari nyala api dapat bertambah dan pembakaran dapat lebih sempurna. Dengan penambah Oksigen ini akan dapat pula mengurangi kadar Carbon ( C ) dalam baja. Dengan cara ini produksi dapat naik ±25 - 30 %. Dengan memakai “Auotmatic control”, akan menaikan efisiensi bb (5%); output (8%); umur lapisan dalam (9%). Peleburan Baja dengan dapur Listrik (EAF) Pengertian Electric Arc furnance (EAF) Tanur Busur Listrik (EAF) adalah peralatan / alat yang digunakan untuk proses pembuatan logam / peleburan logam, dimana besi bekas dipanaskan dan dicairkan dengan busur listrik yang berasal dari elektroda ke besi bekas di dalam tanur. Ada dua macam arus listrik yang bisa digunakan dalam proses peleburan dengan EAF, yaitu arus searah (direct current ) dan arus bolak – balik ( alternating current). Dan yang biasa digunakan dalam proses peleburan adalah arus bolak-balik dengan 3 fase menggunakan electroda graphite. Salah satu kelebihan EAF dari basic oxygen furnance adalah kemampuan EAF untuk mengolah scrap menjadi 100 % baja cair. Menurut survei sebanyak 33% dari produksi baja kasar (crude steel) diproduksi menggunakan Tanur busur listrik (EAF).Sedangkan kapasitas porduksi dari EAF bisa mencapai 400 ton. Kelebihan lain dari EAF ini adalah energi yang dikeluarkan busur listrik terhadap logam bahan baku sangant besar, menyebabkan terjadinya okisdasi besar pada logam cair. Hal ini menyebabkan karbon yang terkandung di dalam logam bahan baku teroksidasi sehingga kadar karbon dalam logam tersebut menjadi berkurang. Bentuk fisik dari dapur (EAF) ini cukup rendah sehingga dalam hal pengisian bahan bakunya pun sangat mudah. Dalam hal pengoperasiannya pun EAF juga tidak terlalu sulit karena hanya memerlukan beberapa orang operator yang memantau proses peleburan dan penggunaan listrik pada dapur tersebut. Struktur dari Tanur busur listrik adalah Tungku oval (bagian bawah), dinding tanur yang berbentuk selinder, dan tutup tanur yang bisa bergerak menutup dan membuka untuk proses pengisian. Pada tutup tanur terdapat 3 buah lubang yang merupakan dudukan elektroda grafit, yang terdiri dari mekanisme penjepit elektroda.Sedangkan elektroda tidak bertopang pada tutup tanur melainkan bertopang pada rangka tersendiri dan rangka tersebut memiliki mekanisme pengangkat dan untuk menurunkan elektroda pada posisi – posisi yang dapat diatur pada waktu pengoperasian. Untuk mengurangi rugi kalor (heat loses) pada tutup tanur, maka tutup tanur dilapis dengan isolator panas. Pada dinding pelindung tanur terdapat batu tahan api sebagai isolator panas bagian dalam yang dihasilkan tanur tersbut. Pada dinding tanur ini tidak diperlukan lagi lining karena pada bagian ini tidak lagi bersentuhan dengan cairan.Sedangkan kontruksi luar dari dinding di tutupi oleh pelat baja dengan ketebalan tertentu.Pada dinding bagian luar ini juga terdapat sistem pendingin yang menggunakan fluida air sebagai media pendinginan. Pada bagian tungku oval (spherical hearth) terdapat 3 lapisan yaitu lapisan lining kemudian lapisan batu tahan api dan sebagai kontruksi bagian luar digunakan pelat baja dengan ketebalan tertentu. Pada bagian ini juga terdapattapping spout atau yang lebih dikenal dengan istilah saluran penuangan, yang digunakan untuk proses penungan cairan yang akan di cetak atau diatur komposisinya di ladle furnance. Pada bagian yang berhadapan dengan tapping spout adalah slaging door atau yang lebih dikenal dengan pintu slag, yang digunakan untuk mengeluarkan slag.Untuk mengatur posisi penuangan dan pengeluaran slag, terdapat mekanisme pada dasar bagian luar tanur yang berbentuk roda gigi berpasangan yang digerakkan oleh screw bar. Banyak tipe dapur listrik yang digunakan, tetapi secara praktek hanya tipe berikut yang digunakan dalam industry pembuatan baja : AC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik – arus bolak balik) DC direct-arc electric furnace (dapur busur listrik – arus searah ) Induction electric furnace (dapur induksi) Pada dapur busur listrik – arus bolak balik, arus melewati suatu elektroda turun ke bahan logam melalui suatu busur listrik, kemudian arus tersebut dari bahan logam mengalir keatas melalui busur listrik melalui busur listrik menuju elektroda lainnya.Untuk peleburan baja dapat dilakukan arus satu, dua atau tiga fasa.Umumnya digunakan arus 3 fasa. Dalam dapur listrik – arus searah, arus listrik melewati satu elektroda turun kebahan yang akan dilebur melelui busur listrik, yang kemudian mengalir menuju elektroda pasangannya yang berada dibawah dapur. Dapur listrik ini dikembangkan oleh Dr. Paul Heroult ( USA ). Dapur busur listrik Heroult yang pertama dibuat untuk memproduksi baja, dibangun oleh Halcomb steel company di Syracuse, New York pada tahun 1906. Pada dapur induksi, arus listrik diinduksikan kedalam baja dengan osilasi medan magnet. Berdasarkan frekuensinya, dapur induksi dikelompokkan sebagai berikut: Dapur induksi frekuensi rendah. Menggunakan prinsip trafo, dimana bahan logam yang akan dilebur bertindak sebagai kumparan sekunder, sedang gulungan dengan inti besi bertindak sebagai kumparan primer. Dapur induksi frekuensi medium atau tinggi. Arus dengan frekuensi mediumatau tinggi dilewatkan kumparan yang meliliti bejana ( crucible ) yang berisi bahan logam yang akan dilebur. Dapur listrik dapat digunakan untuk pembuatan baja, baik dengan proses asam maupun basa. Hampir semua dapur listrik yang digunakan untuk melayani produksi ingot baja, baja cetak kontinya dan industry pengecoran saat ini menggunakan pelapis bata tahan api basa. Dapur listrik dapat digunakan untuk memproduksi hampir semua jenis baja. Untuk kapasitas dibawah 1.500.000 ton/tahun, dapur listrik lebih ekonomis digunakan daripada kombinasi blast furnace dan proses oxygen steel makingbasa. Hal tersebut khususnya berlaku pada daerah dimana tersedia banyak scrap dan harga tenaga listrik yang murah. Dapur listrik lebuh fleksibel untuk melayani operasi produksi yang intermittent ( misal, akibat permintaan pasar yang fluktuatif ). Dapur listrik mempunyai keterbatasan antara lain sebagai berikut  : Tidak mampu memproduksi baja dengan kandungan unsure residual rendah dari scrap yang mempunyai unsure residual yang tinggi. Satu dapur listrik tidak dapat melayani secara kontinyu dan berurutan satu mesin cetak kontinyu ( minimum diperlukan 2 dapur listrik ) Dapur listrik tidak ekonomis digunakan untuk produksi melebihi 1.500.000 ton baja/tahun, pada satu daerah. Kandungan nitrogen dalam baja biasanya dua kali lebih tinggi daripada baja yang dihasilkan oleh proses oxygen steel making, baik basa maupun asam. 44