ALOI (LOGAM PADUAN)

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 suatu 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 satu dengan yang lain dan masih menunjukkan sifat-sifat sebagai logam. Aloi disebut juga dengan lakur atau paduan. Aloi dapat merupakan larutan zat padat (solid solution) dengan kom­posisi yang bervariasi atau suatu senyawa antarlogam (intermetallic compound) dengan komposisi dan struktur internal tertentu. Aloi yang merupakan larutan zat padat ada dua macam, yaitu aloi selitan (inter­stitial alloy) dan aloi substitusi (substitution alloy).

Jenis-Jenis Aloi

1.     Aloi Selitan

Sebagaimana telah dijelaskan bahwa di dalam kristal logam yang atom-atomnya membentuk susunan rapat heksagonal atau susunan rapat kubus terdapat tempat selitan tetrahedral dan tempat selitan 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 adalah banyak sekali. Atom logam yang lain atau altom nonlogam yang ukurannya sama atau lebih kecil dari ukuran tempat selitan yang ada dapat menempati tempat selitan terebut 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 antara 0,225 - 0,414 maka atom-atom dari unsur yang dipadukan akan menempati tempat selitan tetra­hedral. Apabila perbandingan jari-jari atom unsur yang dipadukan denagn 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 tetrahedral, 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 acak dan aloi selitan teratur diberikan pada gambar 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 dalam aloi dengan waktu pendinginan leburan aloi dapat dianalogikan dengan pembentukan susunan mahasiswa yang akan mengikuti tes. Biasanya pada waktu tes mahasiswa tidak boleh duduk berdampingan. Sering kali pengisian tempat duduk dengan pola kosong-isi-kosong-isi. Seandainya ada 50 mahasiswa yang mengikuti tes dan mereka hanya diberi waktu satu menit untuk membentuk susunan kosong-isi-kosong-isi, maka susunan tersebut cenderung sulit untuk dibentuk. Berbeda halnya bila mereka diberi waktu 5 menit untuk mengatur diri, maka susunan yang diharapkan cenderung 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:

1.      Struktur kristal dari logam induk pada aloi sama seperti struktur logam dalam kristal murinya seperti ditunjukkan pada gambar diatas

2.      Dapat menghantarkan panas dan listrik.

3.      Lebih keras tetapi lebih rapuh dibandingkan logam murniya.

4.      Lebih sulit ditempa atau diregangkan dibandingkan logam murniya.

5.      Massa jenisnya lebih tinggi dibandingkan massa jenis logam murniya.

6.      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-atom unsur yang dipadukan. Aloi borida, karbida, dan nitrida cenderung bersifat lembab (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 sampai 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 sampai 0,45% atom karbon, baja karbon tinggi mengandung 0,45 sampai 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 besar dibandingkan 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.

2.    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 mur­ninya 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 diberikan pada gambar

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 terpenuhi yaitu:

      (1)  Perbedaan jari-jari atom logam yang dipadukan tidak lebih dari 15%.

      (2)  Dua logam yang dipadukan memiliki struktur kristal yang sama.

      (3)  Dua logam yang dipadukan memiliki sifat kimia, khususnya elek- tronvalensi

            yang sama.

Aloi substitusi dengan segala komposisi dapat terbentuk antara logam emas dan tembaga karena dua logam tersebut memiliki struktur kristal yang sama (ccp), elektron valensi yang sama (keduanya golongan 11 atau 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 keelektronegatifannya kecil, χ_Cu ~ 2,00; χ_Ni = 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 a-kuningan (a-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 a- kuningan adalah Cu_1-x, Zn_x (0<x< 38%) dan struktur kristalnya sama dengan struktur kristal tembaga.

Timah (Sn) dan timbel (Pb) membentuk aloi substitusi dengan rumus Pb_{1-x v}Sn_x    ( 2 < x < 63%). Sn dan Pb hanya membentuk aloi substitusi 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 sampai 550°C 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 perapi 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 oktahedral yang ada, se­dangkan atom kromium dan nikel menggantikan sebagian posisi dari atom-atom besi. Salah satu model susunan atom-atom pada baja tahan karat diberikan pada gambar berikut:

                                        

Baja tahan karat mungkin juga mengandung unsur lain selain kromium dan nikel. Beberapa unsur yang terdapat pada baja tahan karat beserta fungsinya diberikan pada Tabel berikut:

Logam	Persentase yang ditambahakan	Pengaruh pada sifat baja yang diperoleh
Tembaga	0,2-1,5	Meningkatkan ketahanan terhadapa korosi
Nikel	0,1-1	Memberikan permukaaan yang bagus
Niobium	0,02-0,12	Meningkatkan kekuatan regang
Nitrigen	0,03	Meningkatkan kekuatan
Mangan	0,2-1,6	Meningkatkan kekuatan
Vanadium	Sampai 0,2	Meningkatkan kekuatan

Beberapa unsur logam yang terdapat pada baja taha karat beserta fungsinya

(Dikutip dari Shriver&Atkins: 2006,82)

Beerapa aloi yang penting secara komersial

Nama Umum	Logam Induk	Komposisi (Persen massa)	Sifat	Contoh Kegunaan
Alnico	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	Fe	Fe(80-86), W (14-20) dan C(0,5)	Sifatnya tidak 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 bebam	Rel kereta api, kendaraan tempur
Baja Nikel	Fe	Fe(96-98), Ni (2-4) dan C(0,5)	Keras, elastis, dan tahan korosi	Kabel, roda gigi
Baja Silikon	Fe	Fe(5-99), Si (1-5) dan C(0,5)	Keras, kuat, dan bersifat magnetik	Magnet
Duriron	Fe	Fe(84), Si (145), 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(38-46)	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 direnggangkan	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 Snb(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 Streling	Ag	Ag(92,5) dan Cu (7,5)	Berkilau	Perhiasana
Perunggu	Cu	Cu(70-95), Zn(1-25), dan Sn (1-18)	Mudah dibentuk	Medali, bel
Perunggu alumunium	Cu	Cu (90) dan Al (10)	Kers dan kuat	Bak atau rumah mesin dan batang penghubung
Pewter	Sn	Sn ( 70-95), Sb(5-15), Pb (0-15)	Tahan korosi	Peralata makanan dan minum
Solder	Pb	Pb (67) dan Sn (33)	Titik lebur rendah	Sambungan solder
3AL-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 penyairam air otomatis

Salah satu aloi yang banyak digunakan untuk perhiasan adalah emas putih (white gold). Emas putih bukan platina, emas putih merupakan aloi dari emas dengan nikel atau aloi dari emas dengan paladium. Emas putih kadang-kadang mengandung unsur logam ylngj lain seperti perak, tembaga, atau zink dalam jumlah yang kecil. Emas putih memiliki kilau seperti kilau platina. Sekarang nikel jarang digunakan  untuk membuat emas putih karena nikel dapat memberikan reaksi tertentu pada seseorang yang menggunakan perhiasan dari emas putih. Emas putih yang banyak digunakan sebagai perhiasan sekarang kebanyakan merupakan alaoi dari emas dengan perak dan paladiun. Perhiasan yang terbuat dari emas putih sering kali dilapisi dengan rodium (Rh) untuk menghasilkan kilau putih yang lebih bagus. Sebagai  pada emas kuning (yellow gold), kandungan emas pada emas putih juga dinyatakan dengan karat. Kandungan emas pada emas putih 18 karat adalah sama dengan kandungan pada emas kuning 18 karat.

Pembuatan Aloi

Baja diproduksi dalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun cair, besi bekas (Skrap) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses pembutan baja, diantaranya adalah:

1.      Proses konvertor

Terdiri dari satu tabung yang berbentuk tabung bulat lonjong denga menghadap kesamping

Sistem Kerja:

-dipanaskan dengan kokas sekitar 1500^oc

-dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja (1/8 dari volume konvektor)

-kembali ditegakkan

-udara dengan tekanan 1,5-2 atm dihembuskan dari kompresor

-setelah 20-25 menit konvektor dijungkirkan untuk mengeluarkan hasilnya

2.        Proses dalam Dapur Tinggi

Prinsip dari proses dapur tinggi adalah prinsip reduksi. Pada proses ini zat

karbon monoksida dapat menyerap zat asam dari ikatan-ikatan besi zat asam pada   suhu   tinggi.   Pada   pembakaran   suhu   tinggi  +  18000^oC   dengan   udara panas,     maka     dihasilkan     suhu    yang    dapat    menyelenggarakan        reduksi tersebut. Agar tidak terjadi pembuntuan karena proses berlangsung maka diberi batu kapur sebagai bahan tambahan. Bahan tambahan bersifat asam apabila bijih besinya   mempunyai   sifat   basa   dan   sebaliknya   bahan   tambahan   diberikan yang bersifat basa apabila bijih besi bersifat asam. Gas yang terbentuk dalam dapur tinggi selanjutnya dialirkan keluar melalui bagian   atas   dan   ke   dalam   pemanas   udara.   Terak   yang   menetes   ke   bawah melindungi besi kasar dari oksida oleh udara panas yang dimasukkan, terak ini kemudian dipisahkan. Proses reduksi di dalam dapur tinggi tersebut berlangsung sebagai berikut:

Zat arang dari kokas terbakar menurut reaksi :

 C+O₂   à         CO₂

 sebagian   dari   CO₂    bersama   dengan   zat   arang   membentuk   zat   yang   berada ditempat yang lebih atas yaitu gas CO.

CO + C  à          2CO

   

Di bagian atas dapur tinggi pada suhu 300  sampai 800  C oksid besi yang lebih    tinggi  diubah     menjadi    oksid   yang    lebih   rendah    oleh   reduksi    tidak langsung dengan CO tersebut menurut prinsip :

Fe  O  + CO   à      2FeO+CO

Pada waktu proses berlangsung muatan turun ke bawah dan terjadi reduksi

tidak langsung menurut prinsip :

FeO+CO    à         FeO+CO₂

Reduksi      ini  disebut   tidak   langsung     karena    bukan    zat  arang    murni    yang mereduksi   melainkan   persenyawaan   zat   arang   dengan   oksigen.   sEdangkan reduksi     langsung      terjadi  pada    bagian    yang    terpanas     dari   dapur,    yaitu langsung di atas pipa pengembus. Reduksi ini berlangsung sebagai berikut.

FeO+C     à             Fe+CO

CO   yang   terbentuk   itulah   yang   naik   ke   atas   untuk   mengadakan   reduksi tidak langsung tadi.

Setiap   4   sampai   6   jam   dapur   tinggi   dicerat,   pertama   dikeluarkan   teraknya dan   baru   kemudian   besi.   Besi   yang   keluar   dari   dapur   tinggi   disebut   besi kasar   atau   besi   mentah   yang   digunakan   untuk   membuat   baja   pada   dapur pengolahan baja atau dituang menjadi balok-balok tuangan yang dikirimkan pada pabrik-pabrik pembuatan baja sebagai bahan baku. Besi   cair   dicerat   dan   dituang   menjadi   besi   kasar   dalam   bentuk   balok-balok besi   kasar   yang   digunakan   sebagai   bahan   ancuran   untuk   pembuatan   besi tuang (di dalam dapur kubah) atau masih dalam keadaan cair dipindahkan pada bagian pembuatan baja (dapur Siemen Martin).

Terak yang keluar dari dapur tinggi dapat pula dimanfaatkan menjadi bahanpembuatan   pasir   terak   atau   wol   terak   sebagai   bahan   isolasi   atau   sebagai bahan campuran semen. Besi cair yang dihasilkan dari proses dapur tinggi sebelum dituang menjadi balok     besin   kasar   sebagai    bahan    ancuran    di   pabrik   penuangan,      perlu dicampur   dahulu   di   dalam   bak   pencampur   agar   kualitas   dan   susunannya seragam.      Dalam      bak   pencampur        dikumpulkan       besi   kasar    cair dari bermacam-macam dapur tinggi yang ada untuk mendapatkan besi kasar cair yang     sama    dan    merata.    Untuk    menghasilkan       besi   kasar   yang    sedikit mengandung   belerang   di   dalam   bak   pencampur   tersebut   dipanaskan   lagi menggunakan gas dapur tinggi.

3.      Proses dapur cawan

-proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan besi kasar dalam cawan, kemudian dapur ditutup rapat, lalu di masukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling dan muatan dalam cawan akan mencair. baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan

4.       proses Bassemer (asam)
lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung kwarsa asam atau aksid asam (SiO₂), Bahan yang diolah besi kasar kelabu cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO₂, SiO₂ + CaO CaSiO₃

5.  proses Thomas (basa)
Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau dolomit [ kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 – 2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk oksida phospor (P2O5), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat kapur (CaO),
3 CaO + P2O5 Ca3(PO4)2 (terak cair)