Kamis, 10 Juni 2010
BAB
6
Logam dan Paduan Nonferro:
Produksi, Sifat-sifat Umum, dan Aplikasi
Logam dan paduan nonferro sangat beragam jenisnya, mulai dari aluminium sampai seng, yang sangat diperlukan untuk berbagai aplikasi dalam teknik. Bab ini menguraikan:
· Metode produksi untuk logam nonferrous.
· Sifat fisik dan mekanik logam dan paduan nonferrous serta relevansinya.
· Aplikasi paduan.
· Paduan Shape-memory, paduan amorf, dan nanomaterials, dan penggunaan-nya yang unik.
6.1 Pengantar
Logam dan paduan nonferro mencakup berbagai jenis dari logam yang umum (seperti aluminium, tembaga, dan magnesium) sampai paduan dengan kekuatan dan suhu yang tinggi (seperti tungsten, tantalum, dan molibdenum). Walaupun harganya lebih mahal dari logam besi (Tabel 6.1), logam dan paduan nonferro memiliki aplikasi yang besar karena sifatnya yang tahan korosi, konduktivitas termal dan listrik yang tinggi, densitas rendah, dan mudah dibentuk (Tabel 6.2). contoh aplikasi logam dan paduan nonferro yaitu aluminium untuk peralatan memasak dan badan pesawat, tembaga untuk kawat listrik, tembaga untuk pipa suplai air rumah, seng untuk lembaran logam galvanis yang biasanya digunakan untuk bodi mobil, titanium untuk baling-baling turbin mesin jet dan alat pembedahan tulang, dan tantalum untuk mesin roket.
Kipas turbo mesin jet untuk pesawat Boeing 757 biasanya mengandung logam dan paduan nonferro berikut: 38% Ti, 37% Ni, 12% Cr, 6% Co, 5% Al, Nb 1%, dan 0,02% Ta. Tanpa bahan-bahan tersebut, mesin jet (Gambar 6.1) tidak dapat dirancang, diproduksi, dan dioperasikan pada kekuatan dan tingkat efisiensi yang diperlukan.
Bab ini memperkenalkan sifat umum, metode produksi, dan aplikasi teknik yang penting untuk logam dan paduan nonferro. Sifat manufaktur bahan-bahan tersebut (seperti formability, manchinability, dan weldability) yang dijelaskan dalam berbagai tulisan pada bab ini.
Tabel 6.1 | |||
Perkiraan Harga per-satuan-volume untuk Logam Tempa dan Plastik Berkaitan dengan Harga Baja Karbon | |||
Emas | 60,000 | Paduan Magnesium | 2-4 |
Perak | 600 | Paduan Alumunium | 2-3 |
Paduan Molybdenum | 200-250 | Baja paduan rendah dengan kekuatan tinggi | 1.4 |
Nikel | 35 | Besi Tuang kelabu | 1.2 |
Paduan Titanium | 20-40 | Baja Karbon | 1 |
Paduan Tembaga | 5-6 | Nilon, acetal, karet silikon* | 1.1-2 |
Paduan Seng | 1.5-3.5 | Plastik lain dan Elastomer* | 0.2-1 |
Baja Stainless | 2-9 | ||
* As molding compounds
Catatan: Biaya bervariasi secara signifikan dengan jumlah pembelian, penawaran dan permintaan, ukuran dan bentuk, dan berbagai faktor lainnya.
Tabel 6.2 | |
Karakteristik Umum Logam dan Paduan Nonferrous | |
Material | Karakteristik |
Paduan bukan logam | Lebih mahal dari baja dan plastik, berbagai macam sifat mekanik, fisik, dan listrik; ketahanan korosi yang baik; aplikasi temperatur tinggi |
Alumunium | Kekuatan tinggi terhadap rasio berat, konduktivitas termal dan listrik yang tinggi; ketahanan korosi yang baik; sifat produksi yang baik |
Magnesium | Logam ringan; Kekuatan terhadap rasio berat baik |
Tembaga | Konduktivitas listrik dan termal tinggi; ketahanan korosi yang baik; sifat produksi yang baik |
Superalloy | Kekuatan dan ketahanan korosi yang baik pada temperatur tinggi, dapat besi, kobalt, dan paduan berbasis nikel |
Titanium | Kekuatan terhadap rasio berat paling tinggi dari semua logam; kekuatan dan ketahanan korosi yang baik pada suhu tinggi |
Logam refraktori | Molybdenum, niobium (columbium), tungsten, dan tantalum; kekuatan tinggi pada temperatur tinggi |
Logam mulia | Emas, perak, dan platinum; pada umumnya mempunyai ketahanan korosi yang baik |
6.2 Alumunium dan Paduan Alumunium
Faktor yang penting dalam memilih aluminium (Al) dan paduaannya adalah kekuatan tinggi untuk rasio berat, ketahanan terhadap korosi oleh banyak bahan kimia, konduktivitas termal dan listrik yang tinggi, nontoksisitas, reflektifitas, penampilan, dan kemudahan formability dan machinability; aluminium juga non magnetik. Penggunaan utama aluminium dan paduannya, dalam penurunan pesanan untuk konsumsi, yaitu untuk wadah dan kemasan (kaleng dan aluminium foil), untuk konstruksi bangunan dan jenis lainnya, transportasi, (pesawat dan aplikasi ruang angkasa, bus, mobil, gerbong kereta api, dan kapal laut), aplikasi listrik (sebagai alat-alat yang ekonomis dan konduktor listrik nonmagnetic), barang-barang konsumen (peralatan, memasak, dan mebel), dan alat portable (Tabel 6.3 dan 6.4). Hampir semua kabel transmisi tegangan tinggi terbuat dari aluminium. Berkaitan dengan struktural komponen (beban), 82% dari pesawat Boeing 747 dan 70% dari pesawat Boeing 777 adalah aluminium.
Gambar 6.1 Bagian bawah dari sebuah mesin jet (PW2037) menampilkan berbagai komponen dan paduan yang digunakan dalam manufaktur mereka. Sumber: Courtesy of United Aircraft Pratt & Whitney.
Tabel 6.3 | |||||
Sifat dari Paduan Aluminium pada Suhu Ruang | |||||
Paduan (UNS) | Sifat | Tegangan Tarik Puncak (MPa) | Tegangan Yield (MPa) | Pemanjangan dalam 50 mm (%) | |
1100 (A91100) | O | 90 | 35 | 35-45 | |
1100 | H14 | 125 | 120 | 9-20 | |
2024 (A92024) | O | 190 | 75 | 20-22 | |
2024 | T4 | 470 | 325 | 19-20 | |
3003 (A93003) | O | 110 | 40 | 30-40 | |
3003 | H14 | 150 | 145 | 8-16 | |
5052 (A95052) | O | 190 | 90 | 25-30 | |
5052 | H34 | 260 | 215 | 10-14 | |
6061 (A96061) | O | 125 | 55 | 25-30 | |
6061 | T6 | 310 | 275 | 12-17 | |
7075 (A97075) | O | 230 | 105 | 16-17 | |
7075 | T6 | 570 | 500 | 11 | |
Paduan Aluminium ada sebagai produk pabrik, yaitu sebagai produk tempa yang dibuat ke dalam berbagai bentuk yang melalui proses rolling, ekstrusi, pembentukan, dan penempaan (bab 13 sampai 15). Batang logam Aluminium juga tersedia untuk proses tuang, seperti aluminium dalam bentuk serbuk untuk aplikasi metalurgi serbuk (bab 17).
Tabel 6.4 | ||||
Sifat Manufaktur dan Aplikasi Khusus dari Paduan Aluminium Tempa | ||||
Paduan | Karakteristik* | Aplikasi khusus | ||
Ketahanan Korosi | Machinability | Weldability | ||
1100 | A | C-D | A | Lembaran kerja logam, spun berongga, batang timah |
2024 | C | B-C | B-C | Roda truk, produk mesin sekrup , rangka pesawat |
3003 | A | C-D | A | Peralatan memasak, peralatan kimia, bejana bertekan, lembaran kerja logam , perangkat keras pembangun, tangki penyimpanan |
5052 | A | C-D | A | Lembar kerja logam, tabung hidrolik, dan penggunaan untuk peralatan bus, truk dan laut |
6061 | B | C-D | A | Pangka alat berat yang dimana dibutuhkam ketahanan terhadap korosi, rangka truk dan kapal laut, gerbong kereta api , furnitur, pipa saluran, pagar jembatan, tabung hidrolik |
7075 | C | B-D | D | Rangka pesawat dan lainnya, kunci, perlengkapan hidrolik |
*A, Bagus; D, Buruk. | ||||
Sebagian besar paduan aluminium bisa untuk permesin, dibentuk, dan dilas dengan relatif mudah.
Ada dua jenis paduan yang terbuat dari aluminium:
1. Paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan dingin dan tidak bisa dengan perlakuan panas.
2. Paduan yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas.
Penandaan paduan aluminium tempa. Paduan aluminium tempa dapat diidentifikasi oleh empat digit dengan penandaan sifat yang menunjukkan kondisi material. (Lihat juga sistem penyatuan angka dalam bagian ini) unsur paduan utama diidentifikasi oleh digit pertama.
1xxx - aluminium murni komersial: ketahanan korosi yang sangat baik, konduktivitas listrik dan panas tinggi, pengerjaan yang baik, kekuatan yang rendah, tidak tahan terhadap panas.
2xxx - tembaga: kekuatan tinggi untuk rasio berat, ketahanan yang rendah terhadap korosi, bisa diperlakuan panas
3xxx - mangan: pengerjaan yang baik, kekuatan sedang, umumnya tidak bisa perlakuan panas.
4xxx - silikon: titik lebur menurun, dari film oksida yang abu-abu gelap untuk warna arang, umumnya tidak bisa perlakuan panas.
5xxx - magnesium: ketahanan korosi yang baik dan mampu dilas, kekuatan sedang sampai tinggi, tidak bisa perlakuan panas.
6xxx - magnesium dan silikon: kekuatan sedang; formability, kemampuan untuk permesinan, kemampuan las baik, dan tahan korosi; bisa perlakuan panas.
7xxx - seng: kekuatan sedang sampai sangat tinggi, bisa perlakuan panas
8xxx - elemen lain
Angka kedua dalam penandaan ini menunjukkan modifikasi dari paduan. Untuk seri 1xxx, angka ketiga dan keempat untuk menunjukan jumlah minimum dalam paduan aluminium. Sebagai contoh, 1050 menunjukkan minimal 99,50% Al dan 1090 menunjukkan minimal 99,90% Al. Dalam seri lain, angka ketiga dan keempat mengidentifikasi paduan yang berbeda dalam kelompok dan angka tidak memiliki makna.
Sebuah aluminium khusus dapat terdiri dari paduan aluminium berikut, semua dalam kondisi H19 (yang merupakan keadaan tertinggi dalam perlakuan dingin): 3.004 atau 3.104 dapat untuk bodi, 5.182 untuk penutup, dan 5.042 untuk etiket. paduan ini dipilih untuk karakteristik manufaktur serta untuk ekonomi.
Penandaan paduan aluminium cor. Penandaan untuk paduan Aluminium cor juga terdiri dari empat digit. Angka pertama menunjukkan kelompok paduan utama, sebagai berikut:
1xx.x – Aluminium (minimum 99,00%)
2xx.x – Aluminium -Tembaga
3xx.x – Aluminium - Silikon (dengan tembaga dan/ atau magnesium)
4xx.x – Aluminium - Silikon
5xx.x – Aluminium - Magnesium
6xx.x - seri tidak digunakan
7xx.x – Aluminium - Zinc
8xx.x – Aluminium – Tin
Dalam seri 1xx.x, angka kedua dan ketiga menunjukan kadar aluminium minimum, angka ketiga dan keempat menunjukan aluminium di tempa. Untuk seri lain, angka kedua dan ketiga tidak memiliki arti/makna. Angka keempat (di sebelah kanan titik desimal) menunjukkan bentuk produk.
Penandaan sifat. Penandaan sifat untuk kedua alumunium tempa dan tuang adalah sebagai berikut:
· F - fabrikasi (dengan perlakuan dingin atau panas atau dengan pengecoran)
· O - anil (dari perlakuan dingin atau keadaan cor/ tuang)
· H - tegangan keras dengan perlakuan dingin (hanya untuk produk tempa)
· T - perlakuan panas
· W - hanya pereaksian larutan (keadaan tidak stabil)
Unified Numbering system (Sistem penomoran terpadu). Seperti halnya dengan baja, aluminium dan logam dan paduan nonferro yang lainnya, sekarang diidentifikasi secara internasional oleh sistem penomoran terpadu, yang terdiri dari huruf yang menunjukkan kelas umum dari paduan dan diikuti oleh lima angka yang menunjukkan komposisi kimianya. Sebagai contoh, A untuk aluminium, C untuk tembaga, N untuk paduan nikel, P untuk logam mulia, dan Z untuk seng. Dalam penandaan UNS, paduan aluminium tempa 2024 adalah A92024.
Produksi. Aluminium pertama kali diproduksi pada tahun 1825. Alumunium adalah unsur logam yang paling berlimpah, yang menyusun sekitar 8% dari kerak bumi, dan diproduksi dalam jumlah terbanyak setelah besi. Bijih aluminium utama adalah bauksit, aluminium oksida yang hydrous (yang mengandung air) dan termasuk oksida lainnya. Setelah memisahkan tanah liat dan lumpur dengan bijih, bijih tersebut dihancurkan menjadi serbuk dan diperlakukan panas dengan soda caustic (sodium hidroksida) untuk menghilangkan kotoran. Alumina (oksida aluminium) diekstrak menjadi larutan dan kemudian dilarutkan kedalam natrium Flourida cair dan aluminium flourida pada suhu 940 - 980° C. Kemudian campuran ini mengalami elektrolisis. Logam aluminium terbentuk pada katoda (kutub negatif), sedangkan oksigen dilepaskan pada anoda (kutub positif). aluminium murni Komersial hingga 99,99% Al, yang biasa juga disebut dalam industri sebagai aluminium "empat sembilan". Proses produksi mengkonsumsi banyak listrik, sehingga memberikan kontribusi signifikan terhadap biaya aluminium.
Aluminium berpori. Blok aluminium yang telah diproduksi, 37% lebih ringan dari aluminium padat dan memiliki permeabilitas seragam (microporosity). Karakteristik ini memungkinkan penggunaannya dalam aplikasi dimana vakum atau perbedaan tekanan harus dipertahankan. Contohnya adalah perlengkapan yang berpori untuk perakitan dan otomatisasi, dan vakum atau thermoforming dari plastik (Bab 19.6). blok ini adalah 70 - 90% aluminium serbuk; dan sisanya adalah resin epoxy. Aluminium dapat menjadi mesin dengan relatif mudah dan dapat digabungkan dengan menggunakan perekat.
CONTOH 6.1 Sebuah mobil aluminium
Penggunaan Aluminium di mobil dan truk ringan terus meningkat. Seperti baru-baru ini sejak tahun 1990, tidak ada kerangka aluminium mobil penumpang yang diproduksi di belahan dunia manapun, tetapi pada tahun 1997, ada tujuh jenis, termasuk Phymoth Prowler dan Audi A8 (Gambar 6.2). dengan mengurangi berat sampai dengan 47% dari kendaraan baja, mobil tersebut mengurangi penggunaan bahan bakar sehingga mengurangi polusi, dan dapat didaur ulang.
Paduan dan desain baru dan metodologi manufaktur harus dikembangkan. untuk contoh prosedur penyatuan perekat harus disempurnakan, desain bingkai struktural harus dioptimalkan, dan desain perkakas baru (untuk memungkinkan pembentukan aluminium) harus dikembangkan. Karena teknologi baru ini, pemeliharaan lingkungan yang diinginkan bisa diwujudkan tanpa penurunan kinerja atau keselamatan. Bahkan, Audi A8 adalah mobil mewah pertama yang memperoleh rating lima bintang (keamanan tertinggi) untuk kedua kursi pengemudi dan penumpang depan di National Highway Transportation Safety Administration (NHSTA) New Car Assesment Program.
6.3 Magnesium dan paduan magnesium
Magnesium (Mg) adalah logam teknik ringan yang ada, dan memiliki karakteristik meredam getaran yang baik. Paduan ini digunakan dalam aplikasi struktural dan non-struktural dimana berat sangat diutamakan. Magnesium juga merupakan unsur paduan dalam berbagai jenis logam nonferro.
paduan magnesium khusus digunakan di dalam pesawat terbang dan komponen rudal, peralatan penanganan material, perkakas listrik portabel, tangga, koper, sepeda, barang olahraga, dan komponen ringan umum. Paduan ini tersedia sebagai produk cor/tuang (seperti bingkai kamera) atau sebagai produk tempa (seperti kontruksi dan bentuk balok/batangan, benda tempa, dan gulungan dan lembar plat). Paduan magnesium juga digunakan dalam percetakan dan mesin tekstil untuk meminimalkan gaya inersia dalam komponen berkecepatan tinggi (Bab 3.2).
Karena tidak cukup kuat dalam bentuk yang murni, magnesium dipaduankan dengan berbagai elemen (Tabel 6.5) untuk mendapatkan sifat khusus tertentu, terutama kekuatan untuk rasio berat yang tinggi. Berbagai paduan magnesium memiliki pengecoran, pembentukan, dan karakteristik permesinan yang baik. Karena magnesium mengoksidasi dengan cepat (pyrophpric), ada resiko/bahaya kebakaran, dan tindakan pencegahan yang harus diambil ketika proses permesinan, grindling, atau pengecoran pasir magnesium. Meskipun demikian produk yang terbuat dari magnesium dan paduannnya tidak menimbulkan bahaya kebakaran selama penggunaannya normal.
Penandaan paduan magnesium. paduan Magnesium ditetapkan sebagai berikut:
a. Satu atau dua huruf awalan, menunjukkan elemen paduan utama.
Gambar 6.2 (A) Mobil Audi A8 yang memiliki rangka bodi aluminium semua (b) Rangka aluminium, menampilkan berbagai komponen yang dibuat dengan ekstrusi, pembentukan lembaran, dan proses pengecoran. Sumber: Courtesy of ALCOA, Inc
b. Dua atau tiga angka, menunjukkan persentase unsur paduan utama dan dibulatkan ke desimal terdekat.
c. Huruf abjad (kecuali huruf I dan O) menunjukkan standar paduan dengan variasi kecil dalam komposisi.
d. Simbol untuk sifat material, mengikuti sistem yang digunakan untuk paduan aluminium.
Tabel 6.5 | ||||||||||
Sifat dan Bentuk Khas dari Paduan Magnesium Tempa | ||||||||||
Paduan | Komposisi (%) | Kondisi | Tegangan tarik puncak (MPa) | Tegangan yield (MPa) | Pemanjangan dalam 50 mm (%) | Bentuk khas | ||||
Al | Zn | Mn | Zr | Th | ||||||
AZ31 B | 3.0 | 1.0 | 0.2 | — | — | F | 260 | 200 | 15 | Ekstruksi |
H24 | 290 | 220 | 15 | Lembaran dan plat | ||||||
AZ80A | 8.5 | 0.5 | 0.2 | — | — | T5 | 380 | 275 | 7 | Ekstruksi dan tempa |
HK31A | — | — | — | 0.7 | 3 | H24 | 255 | 200 | 8 | Lembaran dan plat |
ZK60A | — | 5.7 | — | 0.55 | — | T5 | 365 | 300 | 11 | Ekstruksi dan tempa |
Sebagai contoh, ambil paduan AZ91C-T6:
· Unsur-unsur paduan utama adalah aluminium (A sebesar 9%, dibulatkan) dan seng (Z sebesar 1%).
· Huruf C, huruf ketiga dari alfabet, menunjukkan bahwa paduan ini adalah yang ketiga dari satu standar (kemudian dari A dan B, yang merupakan paduan pertama dan kedua yang standar, berturut-turut).
· T6 paduan menunjukkan bahwa larutan ini telah direaksikan dan masa artifiasial.
Produksi. Magnesium adalah elemen logam terbanyak ketiga (2%) di kerak bumi setelah besi dan aluminium. Kebanyakan magnesium berasal dari air laut,
yang mengandung 0,13% magnesium dalam bentuk magnesium klorida. Pertama kali diproduksi pada tahun 1808, logam magnesium dapat didapat dengan cara electrolitik atau reduksi termal. Pada metode elektrolisis, air laut dicampur dengan kapur (kalsium hidroksida) dalam tangki pengendapan. Magnesium hidroksida presipitat mengendap, disaring dan dicampur dengan asam klorida. Larutan ini mengalami elektrolisis (seperti yang dilakukan pada aluminium); agar eksploitasi menghasilkan logam magnesium, yang kemudian dituang/dicor menjadi batang logam untuk diproses lebih lanjut ke dalam berbagai bentuk. Dalam metode reduksi thermal, batuan mineral yang mengandung magnesium (dolomit, magnesit, dan batuan lainnya) dibagi dengan reduktor (seperti ferrosilicon serbuk, sebuah paduan besi dan silikon), dengan memanaskan campuran di dalam ruang vakum. Sebagai hasil reaksi ini, wujud uap dari magnesium, dan uap tersebut mengembun menjadi kristal magnesium. Kristal ini kemudian meleleh, halus, dan dituang menjadi batang logam untuk diproses lebih lanjut ke dalam berbagai bentuk. 6.4 Tembaga dan paduan Tembaga
Pertama kali diproduksi pada sekitar 4000 SM, tembaga (Cu, dari Cuprum) dan paduaannya memiliki sifat yang agak mirip dengan aluminium dan paduannya. Selain itu, tembaga termasuk konduktor listrik dan panas yang paling baik (Tabel 3.1 dan 3.2), dan tembaga juga memiliki ketahanan korosi yang baik. Tembaga mudah diproses dengan berbagai proses pembentukan, permesinan, pengecoran, dan teknik penggabungan.
Paduan tembaga sering digunakan untuk aplikasi kombinasi listrik, mekanik, nonmagnetic, tahan korosi, konduktif termal, dan ketahanan kualitas yang diperlukan. Aplikasi termasuk komponen listrik dan elektronik, pegas, peluru untuk senjata kecil, pipa, perpindahan panas, perangkat keras kapal laut, dan barang-barang konsumsi (seperti peralatan memasak, perhiasan, dan benda-benda dekoratif lainnya). Walaupun aluminium adalah material yang paling umum untuk uang logam dalam cetakan injeksi polimer (Bagian 19.3), tembaga tatap sering digunakan karena mempunyai sifat thermal yang baik . Tembaga murni juga dapat digunakan sebagai pelumas padat di tempat operasi pembentuk logam yang panas.
Paduan tembaga bisa menghasilkan berbagai jenis sifat dengan penambahan unsur paduan dan dengan perlakuan panas, untuk meningkatkan karakteristik manufaktur tembaga. Paduan tembaga yang paling umum adalah kuningan dan perunggu. Kuningan (yang merupakan paduan dari tembaga dan seng) merupakan salah satu paduan yang paling awal dikembangkan dan memiliki berbagai aplikasi, termasuk benda-benda dekoratif (Tabel 6.6). Perunggu adalah paduan tembaga dan timah (tabel 6.7). Ada juga perunggu lainnya, seperti perunggu aluminium (yang merupakan paduan dari tembaga dan aluminium) dan perunggu timah. Berilium tembaga (atau berilium perunggu) dan perunggu fosfor memiliki kekuatan dan kekerasan yang baik untuk aplikasi seperti pegas dan bantakan. paduan utama tembaga yang lain yaitu tembaga nikel dan perak nikel.
Penandaan paduan tembaga. Dalam Unified Numbering System, tembaga diidentifikasi dengan huruf C. Misalnya, peluru kuningan adalah C26200, menggantikan penomoran tiga digit kuno dari CDA 262 (untuk Copper Development Association). Dalam penyertaan agar teridentifikasi dengan komposisinya, tembaga dan paduan tembaga yang dikenal dengan berbagai nama (Tabel 6.5 dan 6.6). penandaan sifat (seperti ½ keras, ekstra keras, ekstra pegas, dan sebagainya) berdasarkan penurunan persentase oleh perlakuan dingin (misalnya, dengan penggilingan atau penarikan).
Tabel 6.6 | |||||
Sifat dan Aplikasi Khas dari Tembaga dan Kuningan Tempa | |||||
Tipe dan angka UNS | Komposisi Nominal (%) | Tegangan tarik puncak (MPa) | Tegangan yield (MPa) | Pemanjangan in 50 mm (%) | Aplikasi Khusus |
Electrolytic tough pitch 9 copper (Cl 1000) | 9.90 Cu, 0.04 O | 220-450 | 70-365 | 55-4 | Downspout, talang, atap, gasket, radiator mobil, tiang bis, paku, roll pencetakan, paku keling |
Red brass, 85% (C23000) | 85.0 Cu, 15.0 Zn | 270-725 | 70-435 | 55-3 | Weather stripping, pipa saluran, soket, kancing, pemadam, kondensor dan tabung penukar panas |
Cartridge brass, 70% (C26000) | 70.0 Cu, 30.0 Zn | 300-900 | 75-450 | 66-3 | Inti dan tangki radiator, shell senter, perlengkapan lampu, kancing, kunci, engsel, komponen amunisi, aksesoris pipa |
Free-cutting brass (C36000) | 61.5 Cu, 3.0 Pb, 35.5 Zn | 340-470 | 125-310 | 53-18 | Gear, pinion, part mesin sekrup otomatis berkecepatan tinggi |
Naval brass (C46400 to C46700) | 60.0 Cu, 39.25 Zn, 0.75 Sn | 380-610 | 380-610 | 50-17 | Pesawat: barel turnbuckle, bola, baut; perangkat kapal laut: poros baling-baling, paku keling, batang katup, plat kondensor |
Produksi. Tembaga ditemukan dalam beberapa jenis bijih, yang paling umum adalah bijih sulfida. Bijih biasanya mempunyai kandungan yang rendah (meskipun beberapa mengandung Cu sampai 15%) dan biasanya diperoleh dari lubang penambangan terbuka. Pertama bijih dihancurkan dan kemudian dibentuk menjadi bubur (campuran air dengan partikel padat yang tidak larut). bubur ini dihancurkan menjadi patikel halus di dalam bola penggiling (memutar bola logam yang ada didalam silinder untuk menghancurkan bijih, lihat Gambar 17.6).
Tabel 6.7 | |||||
Sifat dan Aplikasi Khas dari Perunggu Tempa | |||||
Tipe dan angka UNS | Komposisi Nominal (%) | Tegangan tarik puncak (MPa) | Tegangan yield (MPa) | Pemanjangan in 50 mm (%) | Aplikasi Khusus |
Perunggu arsitektur (C38500) | 57.0 Cu, 3.0 Pb, 40.0 Zn | 415 (ekstruksi) | 140 | 30 | Ekstrusi arsitektur, Plang toko, ambang, lis, butt, engsel |
Perunggu fosfor, 5% A (C51000) | 95.0 Cu, 5.0 Sn, trace P | 325-960 | 130-55Q | 64-2 | Bellow, disk kopling, pasak, diafragma, kancing, sikat kawat, perangkat keras kimia, mesin tekstil |
Perunggu fosfor bebas potongan (C54400) | 88.0 Cu, 4.0 Pb, 4.0 Zn, 4.0 Sn | 300-520 | 130-435 | 50-15 | Bantalan, ring, roda gigi, pinions, poros, pendorong mesin cuci, part katup |
Perunggu rendah silikon, B(C65100) | 98.5 Cu, 1.5 Si | 275-655 | 100-475 | 55-11 | tabung/pipa tekanan hidrolik, baut, perangkat kapal laut, saluran listrik, penukar panas tabung |
Nikel perak, 65-10 (C74500) | 65.0 Cu, 25.0 Zn, 10.0 Ni | 340-900 | 125-525 | 50-1 | Paku keling, baut, pengencang slide, perangkat berongga, papan nama |
Kemudian ditambahkan bahan kimia dan minyak, dan campuran tersebut diaduk. Partikel-partikel mineral membentuk buih, yang mengeping dan dikeringkan. Konsentrat tembaga kering (sebanyak sepertiga dari tembaga) yang lebur secara tradisional (melebur dan menyatu) dan halus; proses ini dikenal sebagai pyrometallurgy, karena menggunakan panas untuk memperbaiki logam. Untuk aplikasi seperti konduktor listrik, tembaga ini disempurnakan lebih lanjut melalui elektrolitik untuk kemurnian minimal 99,95% (elektrolisis tembaga bebas oksigen). Teknik yang lebih baru untuk pengolahan tembaga adalah hidrometalurgi, sebuah proses yang melibatkan reaksi kimia dan elektrolitik.
6.5 Nikel dan Paduan Nikel
Nikel (Ni) adalah logam perak-putih yang ditemukan pada tahun 1751 dan unsur paduan utama yang memberikan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan korosi. Yang biasanya digunakan secara luas pada baja stainless dan paduan berbasis nikel (yang biasa disebut superalloy). Paduan nikel digunakan pada aplikasi temperatur tinggi (seperti komponen mesin jet, roket, dan pembangkit listrik tenaga nuklir), dalam penanganan makanan dan peralatan pengolahan kimia, koin, dan dalam perangkat kapal laut. Karena nikel mempunyai sifat magnetik, paduan nikel juga digunakan dalam aplikasi elektromagnetik, seperti solenoida. Penggunaan utama nikel yaitu sebagai logam untuk electroplating dari part untuk permukaannya dan untuk peningkatan ketahanannya terhadap korosi dan keausan. Paduan nikel memiliki kekuatan tinggi dan tahan korosi pada temperatur tinggi. Pemaduan unsur nikel kromium, kobalt, dan molibdenum. Sifat paduan nikel dalam mesin, pembentuk, casting, dan pengelasan dapat dimodifikasi dengan berbagai unsur paduan lainnya.
Berbagai paduan nikel, memiliki berbagai kekuatan pada temperatur yang berbeda, telah dikembangkan (Tabel 6.8). Meskipun nama dagang masih digunakan secara umum, paduan nikel sekarang diidentifikasi dalam sistem UNS dengan huruf N. Jadi, hastelloy G yang sekarang adalah N06007. Monel adalah paduan nikel-tembaga. Inconel adalah paduan nikel-kromium dengan tegangan tarik hingga 1400 MPa.
Tabel 6.8 | |||||
Sifat dan Aplikasi Khas dari Paduan Nikel (AH adalah Nama Perdagangan) | |||||
Tipe and angka UNS | Komposisi nominal (%) | Tegangan tarik puncak (MPa) | Tegangan yield (MPa) | Pemanjangan dalam 50 mm (%) | Aplikasi Khusus |
Nickel 200 (annealed) | tidak ada | 380-550 | 100-275 | 60-40 | Industri pengolahan kimia dan makanan, peralatan luar angkasa, part elektronik |
Duranickel 301 (age hardened) | 4.4 Al, 0.6 Ti | 1300 | 900 | 28 | Pegas, peralatan plastik ekstrusi, cetakan untuk kaca, diafragma |
Monel R-405 (hot rolled) | 30 Cu | 525 | 230 | 35 | Produk skrup mesin, part meter air |
Monel K-500 (age hardened) | 29 Cu, 3 Al | 1050 | 750 | 30 | Poros pompa, batang katup , pegas |
Inconel 600 (annealed) | 15 Cr, 8 Fe | 640 | 210 | 48 | Part turbin gas, peralatan perlakuan panas , part elektronik, reaktor nuklir |
Hastelloy C-4 (solution-treated and quenched) | 16 Cr, 15 Mo | 785 | 400 | 54 | Part yang membutuhkan stabilitas suhu tinggi dan ketahanan terhadap retak yang disebabkan tegangan dan korosi |
Hastelloy (paduan nikel-kromium) memiliki ketahanan korosi yang baik dan kekuatan tinggi pada suhu yang tinggi. Nichrome (paduan nikel, kromium, dan besi) memiliki ketahanan listrik tinggi dan ketahanan yang tinggi terhadap oksidasi dan digunakan untuk elemen pemanas listrik. Invar dan kovar (paduan besi dan nikel) memiliki sensitivitas yang relatif pada suhu rendah (bagian 3.6).
Produksi. Sumber utama nikel adalah sulfida dan bijih oksida, yang semuanya memiliki kadar nikel yang rendah. Nikel adalah logam yang dihasilkan dengan proses sedimentasi dan termal awal diikuti oleh elektrolisis; yang menghasilkan nikel murni 99,95%. Meskipun nikel juga ada di dasar laut dalam jumlah yang signifikan, namun pertambangan bawah laut itu tidak ekonomis.
6.6 Superalloy
Superalloy sangat penting untuk aplikasi temperatur tinggi, oleh karena itu, mereka juga dikenal sebagai paduan tahan suhu panas atau tinggi. Superaloy umumnya memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi, kelelahan mekanis dan termal, getaran mekanik dan termal, rambatan, dan erosi pada temperatur tinggi. Aplikasi utama dari superalloy adalah untuk mesin jet dan turbin gas. Aplikasi lain mesin torak, mesin roket, alat-alat dan cetakan untuk perlakuan panas logam, nuklir, kimia, dan industri petrokimia. Secara umum, superalloy diidentifikasi dengan nama dagang atau sistem penomoran khusus, dan mereka tersedia dalam berbagai bentuk. Kebanyakan superalloy memiliki ketahanan suhu maksimum sekitar 1000o C dalam aplikasi struktural. Suhu dapat setinggi 1.200o C untuk komponen bantalan non beban.
Tabel 6.9 | |||||
Sifat dan Aplikasi Khusus dari SuperalloyBerbasis Nikel pada 870 C (Semua Nama Perdagangan) | |||||
Paduan | Kondisi | Tegangan tarik puncak (MPa) | Tegangan yield (MPa) | Pemanjangan dalam 50 mm (%) | Aplikasi Khusus |
Astroloy | Tempa | 770 | 690 | 25 | Tempa untuk penggunaan suhu tinggi |
Hastelloy X | Tempa | 255 | 180 | 50 | Part lembar mesin Jet |
IN-100 | Tuang/cor | 885 | 695 | 6 | Roda dan baling-baling mesin jet |
IN-102 | Tempa | 215 | 200 | 110 | Pemanas dan partmesin jet |
Inconel 625 | Tempa | 285 | 275 | 125 | Mesin dan rangka pesawat, peralatan pengolahan kimia |
lnconel 718 | Tempa | 340 | 330 | 88 | Mesin jet dan part roket |
MAR-M 200 | Tuang/cor | 840 | 760 | 4 | Baling-baling mesin jet |
MAR-M 432 | Tuang/cor | 730 | 605 | 8 | roda integral cor pada turbin |
René 41 | Tempa | 620 | 550 | 19 | Part mesin jet |
Udimet 700 | Tempa | 690 | 635 | 27 | Part mesin jet |
Waspaloy | Tempa | 525 | 515 | 35 | Part mesin jet |
Superaloy terdiri dari berbasis besi, berbasis kobalt, atau berbasis nikel.
· Superalloy berbasis Besi pada umumnya mengandung 32-67% Fe, dari 15 sampai dengan 22% Cr, dan 9-38% Ni. Paduan umum dalam kelompok ini adalah seri incoloy.
· Superalloy berbasis Cobalt pada umumnya mengandung 35-65% Co, dari 19 menjadi 30% Cr, dan naik 35% Ni. Superalloy ini tidak sekuat superalloy berbasis nikel, tetapi mereka mampu mempertahankan kekuatan mereka pada suhu yang lebih tinggi.
· Superalloy berbasis Nikel adalah yang paling umum dari superalloy, dan mereka tersedia dalam berbagai macam komposisi (tabel 6.9). komposisi nikel adalah 38-76%. Mereka juga mengandung 27% Cr dan 20% paduan Co. Biasanya paduan dalam kelompok ini adalah Hastelloys, Inconel, Nimonic, Rene, udimet, astroloy, dan seri waspaloy.
6.7 Titanium dan Paduan Titanium
Titanium (Ti, nama Dewa Matahari Yunani) adalah logam berwarna putih perak, yang ditemukan pada tahun 1791 tetapi tidak diproduksi secara komersial hingga tahun 1950-an. Meskipun mahal, titanium mempunyai kekuatan tinggi terhadap rasio berat dan ketahanan korosi pada ruang dan temperatur tinggi sehingga membuat titanium mudah untuk berbagai aplikasi, termasuk pesawat udara; mesin jet (lihat Gambar 6.1), mobil balap, stik golf, kimia, petrokimia, dan komponen kapal laut; lambung kapal selam, kendaraan lapis baja, dan biomaterial, seperti implan ortopedi (Tabel 6,10). Paduan Titanium telah dikembangkan untuk peralatan yang digunakan pada suhu 550° C untuk jangka waktu yang lama dan sampai dengan 750° C selama periode yang lebih pendek.
Titanium bukan paduan, atau yang dikenal sebagai titanium murni komersial, memiliki ketahanan terhadap korosi yang sangat baik untuk aplikasi yang bukan mengutamakan kekuatan (kekuatan adalah pertimbangan skunder). Aluminium, vanadium, molibdenum, mangan, dan unsur paduan lainnya memberikan sifat seperti peningkatan workability, kekuatan, dan hardenability.
Tabel 6.10 | |||||||||
Sifat dan Aplikasi Khas dari Paduan Titanium Tempa pada Berbagai Suhu | |||||||||
Komposisi nominal (%) | UNS | Kondisi | Tegangan tarik puncak (Mpa) | Tegangan yield (Mpa) | Pemanja-ngan (%) | Reduksi area (%) | Temp (oC) | Tegangan tarik puncak (Mpa) | Tegangan yield (Mpa) |
99.5 Ti | R50250 | Annealed | 330 | 240 | 30 | 55 | 300 | 150 | 95 |
5 Al, 2.5 Sn | R54520 | Annealed | 860 | 810 | 16 | 40 | 300 | 565 | 450 |
6 Al, 4 V | R56400 | Annealed | 1000 | 925 | 14 | 30 | 300 | 725 | 650 |
Solution + age | 1175 | 1100 | 10 | 20 | 300 | 980 | 900 | ||
13 V, 11 Cr, 3 Al | R58010 | Solution + age | 1275 | 1210 | 8 | — | 425 | 1100 | 830 |
Sifat dan karakteristik pembuatan paduan titanium sangat sensitif terhadap variasi kecil di kedua pemadu dan sisa elemen. Oleh karena itu, kontrol dari komposisi dan pengolahan menjadi sangat penting, terutama pencegahan dari kontaminasi permukaan oleh hidrogen, oksigen, atau nitrogen selama pengolahan; kontaminasi tersebut dapat menyebabkan embrittlement pada titanium yang berakibat mengurangi ketangguhan dan daktilitas.
Bentuk pusat struktur kubik titanium (beta-titanium) di atas 880° C adalah ulet, sedangkan struktur heksagonal-padat (alpha-titanium) agak rapuh dan sangat peka terhadap tegangan dan korosi. Berbagai struktur lainnya (alpha, mendekati-alpha, alpha-beta, dan beta) dapat diperoleh dengan pemaduan dan perlakuan panas, sehingga sifat dapat dioptimalkan untuk aplikasi khusus. Titanium intermetallics aluminide (TiAl dan Ti3Al) memiliki kekakuan yang lebih tinggi dan kerapatan yang lebih rendah dibandingkan dengan paduan titanium konvensional, dan mereka tahan terhadap suhu yang lebih tinggi.
Produksi. Pertama bijih yang mengandung titanium direduksi menjadi titanium tetraklorida dalam tanur, kemudian dikonversi menjadi titanium klorida dalam keadaan klorin. Senyawa ini direduksi lebih lanjut menjadi logam titanium dengan cara penyulingan dan peleburan (larut). Bentuk rangkaian spons titanium yang kemudian ditekan ke billet untuk dilelehkan, dan dituangkan menjadi batang logam untuk diproses kemudian ke dalam berbagai bentuk. Kompleksitas dari operasi termokimia multi-langkah ini (proses Kroll dikembangkan pada tahun 1940-1950-an) menambah banyak biaya dari titanium. Perkembangan baru dalam proses ekstraksi elektrokimia yang sedang berlangsung untuk mengurangi jumlah langkah-langkah yang terlibat dan konsumsi energi, sehingga mengurangi biaya produksi titanium.
6.8 Logam Refractory dan Paduan
Ada empat logam refraktori: molibdenum, niobium, tungsten, dan tantalum. Disebut refraktori karena mempunyai titik lebur yang tinggi. Meskipun logam ini ditemukan sekitar 200 tahun yang lalu dan telah digunakan sebagai unsur penting dalam paduan baja dan superalloy, penggunaannya sebagai paduan logam rekayasa belum dimulai sampai sekitar tahun 1940-an. Sama seperti dari kebanyakan dari logam dan paduan lain, logam ini mampu mempertahankan kekuatan mereka pada suhu yang tinggi. Oleh karena itu, mereka sangat penting dan digunakan untuk mesin roket, turbin gas, dan berbagai aplikasi kedirgantaraan lainnya; untuk elektronik, daya nuklir, dan industri kimia, dan sebagai alat dan bahan cetakan. Kisaran suhu untuk beberapa aplikasi ini adalah pada diantara 1100-2200° C, di mana kekuatan dan oksidasi menjadi perhatian utama.
6.8.1 Molybdenum
Molibdenum (Mo) adalah logam perak-putih yang ditemukan pada abad ke-18 dan memiliki titik lebur yang tinggi, modulus elastisitas yang tinggi, tahan terhadap kejutan termal, konduktivitas listrik dan termal yang baik. Molybdenum digunakan dalam jumlah yang lebih banyak dari logam refraktori lain, dengan aplikasi khususnya seperti propelan padat roket, mesin jet, struktur sarang lebah, komponen elektronik, elemen pemanas, dan cetakan untuk die casting. Unsur paduan utama molibdenum adalah titanium dan zirkonium. Molyndenum juga merupakan unsur penting dalam paduan cor, paduan baja tempa dan paduan tahan panas; molybdenum memberikan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan terhadap korosi. Kelemahan utama dari paduan molybdenum yang mempunyai resistensi yang rendah terhadap oksidasi pada suhu di atas 500° C, yang mengharuskan menggunakan lapisan pelindung.
Produksi. Sumber utama untuk molybdenum adalah mineral molibdenit (molibdenum disulfida). bijih yang pertama diproses dan terkonsentrasi; kemudian direduksi, reaksi pertama dengan oksigen dan kemudian dengan hidrogen. Teknik metalurgi serbuk juga digunakan untuk menghasilkan batang logam untuk diproses lebih lanjut ke dalam berbagai bentuk.
6.8.2 Niobium (columbium)
Niobium (Nb, untuk niobium, setelah Niobe, mitos putri raja Tantalus Yunani) pertama kali diidentifikasi pada tahun 1801, disebut juga sebagai columbium (sumber mineralnya, columbite). Niobium memiliki daktilitas dan formability yang baik dan ketahanan oksidasi yang lebih besar dari logam refraktori lainnya. Dengan berbagai unsur paduan, paduan niobium dapat diproduksi dengan kekuatan yang sedang dan karakteristik fabrikasi yang baik. Paduan ini digunakan untuk roket, rudal, dan nuklir, kimia, dan aplikasi superkonduktor. Niobium juga merupakan unsur pemadu dalam berbagai paduan dan superalloy. Logam yang diproses dengan mereduksi dan pemurnian bijih menjadi serbuk kemudian meleleh dan membentuk menjadi batang logam.
6.8.3 Tungsten
Tungsten (W, untuk wolfram, itu nama Eropa, dan berasal dari sumber mineral wolframite; dalam bahasa Swedia, tung berarti berat dan sten berarti batu) pertama kali diidentifikasi pada tahun 1781, tungsten adalah logam yang paling banyak dari semua logam refraktori. Tungsten memiliki titik lebur yang tertinggi dari semua logam (3410° C). Akibatnya, tungsten mempunyai karakteristik kekuatan tinggi pada suhu yang tinggi. Namun, memiliki kepadatan yang tinggi (maka digunakan untuk menyeimbangkan beban dan alat penghitung keseimbangan (timbangan) dalam sistem mekanis, termasuk jam tangan otomatis), namun getas pada temperatur rendah, dan ketahanan yang buruk terhadap oksidasi. Tungsten memberikan kekuatan dan kekerasan terhadap baja pada suhu yang tinggi.
Paduan tungsten yang digunakan untuk aplikasi yang melibatkan temperatur di atas 1650° C, seperti kerongkongan liners nozzle di rudal dan di part tahan panas mesin jet dan roket, pemutus rangkaian, elektroda las, alat pemutus listrik pada proses permesinan, dan elektroda busi. Kawat filamen dalam bola lampu pijar (Bagian 1.1) yang terbuat dari tungsten murni dan diproduksi dengan menggunakan teknik metalurgi serbuk dan penarikan kawat. Tungsten karbida, dengan kobalt sebagai pengikat untuk partikel karbida, adalah salah satu alat yang paling penting dari cetakan bahan. Tungsten diproses dari bijih konsentrat dengan dekomposisi kimia dan kemudian direduksi. Selanjutnya diproses dengan teknik metalurgi serbuk dalam suasana hidrogen.
6.8.4 Tantalum
Dikenal pada tahun 1802, tantalum (Ta, mitos raja Yunani, Tantalus) mempunyai karakteristik titik lebur yang tinggi (3000° C), kepadatan yag tinggi, daktilitas yang baik, dan tahan terhadap korosi. Namun, memiliki ketahanan yang buruk terhadap bahan kimia pada suhu di atas 150° C. Tantalum digunakan secara umum untuk kapasitor elektrolit dan berbagai komponen listrik, elektronik, dan industri kimia, tetapi juga digunakan untuk aplikasi termal, seperti di tanur dan ketahanan asam dalam perpindahan panas. Berbagai paduan tantalum dasar tersedia dalam berbagai bentuk yang digunakan untuk rudal dan pesawat. Tantalum juga digunakan sebagai unsur paduan. Diproses dengan teknik yang mirip dengan pengolahan untuk niobium.
6.9 Berilium
Baja berwarna abu-abu, berilium (Be, dari bijih beril) memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi. Berilium bukan paduan digunakan untuk nozel rorket, ruang dan struktur rudal, rem cakram pesawat, alat pekakas presisi dan cermin. Penggunaannya dalam aplikasi nuklir dan x-ray karena mempunyai penyerapan neutron yang rendah. Berilium juga merupakan unsur paduan, dan campuran tembaga dan nikel yang digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk pegas (tembaga berilium), kontak listrik, dan alat nonsparking (bukan pemicu/pematik) untuk digunakan di lingkungan rentan ledakan seperti pertambangan dan produksi logam bubuk (Bagian 17.2). Berilium dan oksida beracun, oleh karena itu debu dan asapnya tidak boleh dihirup.
6.10 Zirkonium
Zirkonium (Zr) yang mempunyai warna keperakan; memiliki kekuatan yang baik, daktilitas pada temperatur tinggi, dan memiliki ketahanan korosi yang baik karena membentuk film oksida. unsur ini digunakan dalam komponen elektronik dan aplikasi daya reaktor nuklir karena penyerapan neutron yang rendah.
6.11 Paduan Low-Melting
Paduan Low-Melting dinamakan demikian karena mempunyai titik lebur yang relatif rendah. Logam utama dalam kategori ini adalah timbal, seng, timah, dan paduannya.
6.11.1 Timbal
Timbal (Pb, plumbum, berasal dari kata plumber) memiliki sifat kerapatan yang tinggi, tahanan terhadap korosi (dengan lapisan lead-oksida stabil yang terbentuk untuk melindungi permukaan), kelunakan, kekuatan rendah, daktilitas dan workability yang baik. Pemaduan dengan berbagai unsur (seperti antimony dan timah) meningkatkan sifat yang diperlukan, sehingga cocok untuk pipa, sistem pipa-pipa yang dapat dilipat, paduan bantalan, lapisan kabel, atap, dan baterai penyimpanan timbal-asam. Timbal juga digunakan untuk peredam suara dan vibratica, perisai radiasi terhadap sinar-x, amunisi, berat, dan dalam industri kimia.
Artefak tertua yang dikenal memimpin dibuat di sekitar 3000 SM Lead pipa yang dibuat oleh orang-orang Roma dan diinstal di pemandian Romawi di Bath, Inggris, dua ribu tahun yang lalu masih digunakan. Timbal juga merupakan elemen paduan di solder, baja, dan paduan tembaga; itu
Artefak tertua yang dikenal memimpin dibuat di sekitar 3000 SM Lead pipa yang dibuat oleh orang-orang Roma dan diinstal di pemandian Romawi di Bath, Inggris, dua ribu tahun yang lalu masih digunakan. Timbal juga merupakan elemen paduan di solder, baja, dan paduan tembaga; itu
meningkatkan ketahanan terhadap korosi dan machinability. Penggunaan tambahan dari timah adalah sebagai pelumas padat untuk hot-logam membentuk operasi. Karena toksisitasnya, bagaimanapun, kontaminasi vironmental oleh timbal (menyebabkan keracunan timbal) merupakan masalah besar, upaya besar yang dilakukan untuk menggantikan memimpin dengan unsur-unsur lain (seperti solder bebas timbal). Sumber mineral penting untuk timbal adalah galena (PbS). Hal ini ditambang, pengecoran, dan disempurnakan oleh perawatan kimia.
6.11.2 Seng
Seng (Zn), berwarna putih kebiruan dan merupakan logam keempat yang paling dimanfaatkan untuk industri, setelah besi, aluminium, dan tembaga. Walaupun keberadaannya dikenal selama berabad-abad, seng belum dikembangkan sampai abad ke-18. Seng memiliki dua penggunaan utama: (1) untuk besi galvanis, baja lembaran, dan kawat,. (2) sebagai paduan dasar untuk pengecoran
Pada galvanis, seng berfungsi sebagai anoda dan pelindung baja (katoda) dari serangan korosi ketika lapisan tergores atau tertusuk. Seng juga digunakan sebagai unsur paduan; kuningan, misalnya adalah paduan tembaga dan seng. Unsur paduan utama di paduan seng dasar adalah alumunium, tembaga, dan magnesium, mereka memberi kekuatan dan pengendalian bentuk selama pengecoran logam. paduan seng dasar digunakan secara ekstensif dalam die casting untuk membuat produk-produk seperti pompa dan tempat pembakaran bahan bakar untuk mobil, komponen untuk peralatan rumah tangga seperti vacum clener dan mesin cuci, peralatan dapur, berbagai suku cadang mesin, dan peralatan photoengraving. Kegunaan lain dari seng adalah untuk paduan superplastis yang memiliki karakteristik formability yang baik berdasarkan kemampuannya untuk mengalami deformasi yang luas tanpa kegagalan. Lembaran 78% Zn - 22% Al dengan butiran yang sangat halus adalah contoh umum dari paduan seng superplastis yang dapat dibentuk dengan menggunakan metode yang biasa digunakan untuk membentuk plastik atau logam.
Produksi. Sejumlah mineral yang mengandung seng dapat ditemukan di alam. Sumber mineral utama adalah sulfida seng, disebut juga zincbiende. Bijih yang pertama dibakar di udara dan diubah menjadi oksida seng. Kemudian direduksi menjadi seng melalui elektrolitik (menggunakan asam sulfat) atau dengan memanaskan di dalam tungku dengan batu bara (yang menyebabkan seng mencair untuk dipisahkan).
6.11.3 Tin
Meskipun hanya digunakan dalam jumlah kecil, timah (Sn, dari stannum) adalah logam yang penting. Penggunaan yang paling umum dari timah (sebuah logam perak-putih yang berkilau) adalah sebagai lapisan pelindung pada lembaran baja (plat timah) digunakan dalam pembuatan wadah (kaleng timah) untuk makanan dan berbagai produk lainnya. Kekuatan geser yang rendah dari lapisan timah pada lembaran baja meningkatkan kinerjanya untuk deep drawing dan pressworking umum. Tidak seperti kejadian pada baja galvanis, jika lapisannya ditusuk atau dihancurkan baja akan berkarat hal ini karena timah bersifat katodik.
Timah bukan paduan digunakan untuk aplikasi seperti bahan lapisan untuk penyulingan air pabrik dan sebagai lapisan logam cair dalam pembuatan piringan/plat kaca (Bagian 18.3). Paduan timah dasar (disebut juga logam putih) umumnya mengandung tembaga, antimony, dan timah hitam. Unsur paduan menghasilkan kekerasan, kekuatan, dan ketahanan terhadap korosi. Timah merupakan unsur pemadu untuk paduan gigi dan perunggu (paduan tembaga-timah), titanium, dan paduan zirkonium. paduan timah-timbal biasanya untuk bahan solder, dengan berbagai komposisi dan titik leleh.
Karena koefisien gesek yang rendah, (yang dihasil dari kekuatan geser rendah dan adhesi rendah) beberapa paduan timah digunakan sebagai bahan bantalan pada pencetakan surat kabar. Paduan ini dikenal sebagai babbitts (I. Babbitt, 1799-1862) yang mengandung timah, tembaga, dan antimony. Pewter adalah paduan dari timah, tembaga, dan antimony. Yang dikembangkan pada abad ke-15 dan telah digunakan untuk perangkat makan, barang berongga, dan hiasan artefak. Organ pipa terbuat dari paduan timah. Mineral timah yang paling penting adalah kasiterit (oksida timah), yang mempunyai tingkat rendah. bijih yang ditambang, dipadatkan dengan berbagai teknik pengecoran, peleburan, dan dituang menjadi batang logam untuk pengolahan lebih lanjut.
6.12 Logam Mulia
Logam yang paling penting mahal (mewah), juga disebut logam mulia, akan dijelaskan di sini.
- Emas (Au, setelah Aurum) adalah logam lunak, ulet dan memiliki ketahanan korosi yang baik pada suhu apa pun. Aplikasi yang umum meliputi perhiasan, koin, reflektor, daun emas untuk tujuan dekoratif, perawatan gigi, electroplating (penyepuhan), kontak listrik dan terminal.
- Perak (Ag, setelah argentum) adalah logam ulet dan memiliki konduktivitas listrik dan panas yang paling tinggi dari semua logam (Tabel 3.1). Namun, perak menghasilkan film oksida yang akan mempengaruhi karakteristik permukaannya dan penampilan. Aplikasi yang umum dari perak meliputi peralatan makan dan minum, perhiasan, koin, elektroplating (penyepuh), film fotografi, kontak listrik, solder, pelapis bantalan, peralatan makanan dan kimia. Perak tulen adalah paduan perak dan 7,5% tembaga.
- Platinum (Pt) adalah logam yang lembut, ulet, logam putih keabu-abuan yang memiliki ketahanan korosi yang baik bahkan pada suhu yang tinggi. Paduan platinum digunakan sebagai kontak listrik, untuk elektroda busi, sebagai katalis untuk perangkat pengendalian polusi mobil, filamen, nozel, cetakan untuk mengekstrusi fiber glass (Bagian 18.3), termokopel, industri elektrokimia, sebagai perhiasan, dan perbaikan gigi.
6.13 Paduan Shape-Memory
Paduan shape-memory adalah paduan yang unik, setelah terdeformasi plastis pada suhu kamar ke dalam berbagai bentuk, paduan shape-memory kembali ke bentuk aslinya dengan pemanasan. Sebagai contoh, sepotong kawat lurus yang terbuat dari bahan ini dirubah ke dalam bentuk pegas heliks, ketika dipanaskan dengan korek, menguraikan pegas untuk kembali ke bentuk aslinya yang lurus. paduan shape-memory dapat digunakan untuk menghasilkan gerakan dan / atau perangkat di aktuator suhu yang sensitif. Sifatnya yang reversibel, yaitu bentuknya yang dapat berpindah bolak-balik berulang kali pada aplikasi dengan perpindahan panas. Paduan shape-memory yang khas adalah 55% Ni - 45% Ti (Nitinol). Paduan lainnya seperti tembaga-nikel-aluminium, tembaga-seng-aluminium, besi-mangan-silikon, dan titanium-nikel-hafnium. Paduan shape-memory umumnya memiliki sifat seperti daktilitas yang baik, tahan korosi, dan konduktivitas listrik yang tinggi.
Aplikasi dari paduan shape-memory yaitu untuk berbagai sensor, bingkai kacamata, stent, relay, pompa, saklar, konektor, klem, pengikat, dan segel. Sebagai contoh, sebuah katup nikel-titanium anti-melepuh yang digunakan untuk melindungi masyarakat agar tidak tersiram air panas yang ada di wastafel, bak, dan kamar mandi. Hal ini dipasang langsung ke dalam sistem perpipaan dan mengalirkan aliran air yang menetes dalam waktu 3 detik setelah suhu air mencapai 47° C. Perkembangan yang baru meliputi film tipis paduan shape-memory yang diletakkan di atas substrat silikon yang disempurnakan dan untuk digunakan dalam perangkat microelectromechanical (MEMS) (lihat Bab 29).
6.14 Paduan Amorf (Kaca Metalik)
Kelas paduan logam yang tidak seperti logam, tidak memiliki struktur kristal jangka panjang yang disebut paduan amorf; paduan amorf tidak memiliki batas butir, dan atom yang disusun secara acak dan ketat. Struktur amorf pertama diperoleh pada akhir tahun 1960 dengan pembekuan yang sangat cepat dari paduan cair (Bagian 11.5). Karena strukturnya yang menyerupai kaca, paduan ini disebut juga paduan kaca metalik. paduan Amorf biasanya mengandung besi, nikel, dan kromium, yang dipadukan dengan karbon, fosfor, boron, aluminium, dan silikon. Paduan amorf terdapat dalam bentuk kawat, pita, strip, dan bubuk. Salah satu aplikasinya untuk insert permukaan plat pada kepala stik golf; paduan ini memiliki komposisi zirkonium, berilium, tembaga, titanium, dan nikel dan dibuat dengan cara pengecoran cetak. Aplikasi lainnya adalah untuk alat pemukul baseball yang dilapisi alumunium berongga dengan komposit logam amorf dengan penyemprotan termal untuk meningkatkan kinerja alat pemukul.
Paduan amorf menunjukan ketahanan korosi yang sangat baik, daktilitas yang baik, kekuatan tinggi, dan kerugian histeresis magnetik yang sangat rendah. Sifat yang terakhir paduan amorf digunakan dalam pembuatan inti baja magnetik untuk transformator, generator, motor, ballast lampu, penguat magnetik, dan akselerator linier. Kerugian histeresis magnetik yang rendah memberikan peningkatan efisiensi, namun biaya fabrikasi menjadi signifikan. Baja amorf yang sedang dikembangkan kekuatannya menjadi dua kali dari baja berkekuatan tinggi, dengan aplikasi potensial dalam susunan yang besar, namun . Baja amorf saat ini dengan biaya yang terjangkau. aplikasi utama untuk superalloy dari bubuk yang dipadatkan dengan cepat yaitu penggabungan ke dalam bentuk near-net untuk suku cadang yang digunakan pada mesin penerbangan.
6.15 Metal Foams
Metal foams merupakan struktur material yang dimana logam hanya terdiri dari 5 sampai 20% dari volume strukturnya. Biasanya terbuat dari paduan aluminium (tapi juga ada yang dari titanium atau tantalum), metal foams dapat diproduksi dengan cara meniup udara ke dalam logam cair dan menekan busa yang terbentuk di permukaan; buih tersebut kemudian mengeras menjadi busa. Cara/metode lain untuk memproduksi metal foams meliputi (a) deposisi uap kimia (Bagian 34.6) menjadi polimer atau kisi/jeruji busa karbon, dan (b) doping yang dicairkan atau serbuk logam (Bab 17) dengan titanium hidrida (TiH2), yang kemudian melepaskan gas hidrogen dengan casting atau sintering pada suhu tinggi.
Metal foams memiliki kombinasi yang unik antara kekuatan terhadap densitas dan kekakuan terhadap rasio densitas, meskipun rasio tersebut tidak setinggi logam dasarnya. Namun, metal foams sangat ringan dengan demikian metal foam menjadi bahan baik untuk aplikasi ruang angkasa. Karena porositasnya, aplikasi lain metal foam yaitu filter dan implan ortopedi.
6.16 Nanomaterials
Perkembangan produksi bahan yang penting meliputi biji-bijian, serat, film, dan komposit yang memiliki ukuran partikel yang ada pada kisaran 1-100 nm. Penyelidikan perrtama pada awal tahun 1980 dan biasanya disebut nanomaterial, nanomaterial mempunyai sifat tertentu yang lebih unggul dibandingkan bahan biasa yang tersedia secara komersial. Ciri-ciri ini meliputi kekuatan, kekerasan, keuletan, ketahanan aus dan ketahanan korosi, cocok untuk struktural (bantalan beban) dan aplikasi nonstruktural untuk kombinasi listrik yang unik, magnetik, dan alat optik.
Komposisi dari nanomaterial dapat berupa kombinasi dari unsur-unsur kimia. komposisi yang lebih penting diantaranya karbida, oksida, nitrida, logam dan paduan, polimer organik, dan berbagai komposit. Metode Sintesis diantaranya kondensasi inert gas, sintesis plasma, elektrodeposisi, sintesis sol-gel, dan pemaduan mekanik atau menggiling dengan bola besi.
bubuk disintesis digabungkan menjadi material berukuran besar oleh berbagai teknik, termasuk pemadatan dan sintering. Nanomaterial tersedia dalam berbagai bentuk dan disebut dengan berbagai nama, seperti bahan Nanostrukutral, bahan nanostruktur, bahan nanophase, nanopowders, nanofibers, kawat nano, nanotube, dan nanofilms. Karena perpaduan dari produk ini dilakukan pada tingkat atom, kemurnian nanomaterial (pada urutan 99,9999%), homogenitas nanomaterial, dan keseragaman mikro nanomaterial sangat terkendali; sebagai hasilnya, sifat mekanik, fisik, dan kimia dari nanomaterial juga dapat dikontrol dengan tepat.
Di antara kemampuan aplikasi nanomaterials pada saat ini adalah sebagai berikut:
- Alat pemotong insert yang terbuat dari karbida Nanostrukutral dan keramik lainnya.
- Keramik nanophase yang ulet dan machinable.
- Serbuk untuk pengolahan bubuk metalurgi.
- Generasi selanjutnya dari chip komputer yang menggunakan bahan awal Nanostrukutral dengan kemurnian sangat tinggi, yang mempunyai konduktivitas termal lebih baik, dan interkoneksi yang lebih tahan lama.
- Monitor/layar flat untuk komputer, laptop, dan televisi yang dibuat dari sintesis fosfor nanostrukutral untuk meningkatkan resolusi layar.
- Elektroda busi, alat pematik bahan bakar untuk roket, peralatan medis, sensor dengan sensitivitas tinggi, katalis untuk menghilangkan polutan, magnet daya yang tinggi, dan baterai kepadatan dengan kerapatan energi yang tinggi.
Ringkasan
· logam dan paduan Nonferro meliputi rentang yang sangat umum dari bahan. Mereka dapat terdiri dari aluminium, magnesium, tembaga dan paduannya, yang memiliki berbagai aplikasi. Untuk peralatan pada suhu yang tinggi, terdiri dari nikel, titanium, paduan refraktori (molibdenum, niobium, tungsten, tantalum), dan superalloys. paduan bahan nonferro lain yang termasuk katagori yang mempunyai tingkat leleh rendah (timbal, seng, timah) dan logam mulia (emas, perak, platina).
· Paduan Nonferro memiliki berbagai sifat yang diperlukan, seperti kekuatan, ketangguhan, kekerasan, dan daktilitas; ketahanan terhadap suhu tinggi, penghantar, dan oksidasi; berbagai jenis bentuk, termal, sifat kimia, dan kekuatan tinggi untuk berat/beban dan kekakuan untuk rasio berat (terutama untuk aluminium dan titanium). Paduan Nonferro dapat diperlakukan panas untuk mendapatkan sifat tertentu yang diinginkan. Seperti dalam semua bahan, pemilihan bahan nonferro untuk aplikasi tertentu memerlukan pertimbangan banyak faktor, termasuk desain dan persyaratan penggunaan, efek jangka panjang, afinitas kimia untuk bahan lain, pencemaran lingkungan, dan biaya.
· Paduan shape-memory, paduan amorf (gelas metalik), dan nanomaterial memiliki beberapa keunggulan sifat dibandingkan dengan material konvensional. Masing-masing memiliki beberapa aplikasi yang unik dalam desain produk dan manufaktur.
Selengkapnya...
Selengkapnya...
Langganan:
Postingan (Atom)
