Teknologi Material Logam

                  

 
Material – material dalam kelompok ini disusun oleh satu atau lebih unsur logam (misalnya besi, alumunium, tembaga, titanium, emas, dan nikel), dan juga seringkali mengandung unsur non logam (misalnya karbon, nitrogen dan oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom – atom pada logam dan paduannya mempunyai ciri – ciri tersusun secara sangat teratur, dan apabila dibandingkan dengan keramik dan polimer susunan antar atom – atomnya cenderung lebih rapat. Karakteristik susunan antar atomnya yang khas ini, kemudian disebut sebagai ikatan logam. Material logam memiliki nilai elektron bebas yang tinggi, dimana berarti terdapat sejumlah besar elektron yang tidak terikat pada inti atom sehingga bisa bergerak bebas. Karena ikatan pada atom-atom logam sangat kuat maka hal ini mengakibatkan titik leleh dan titik didih logam sangat tinggi. Sifat – sifat dari material logam yang khas ini dapat dijelaskan melalui karakterisitik elektronnya tersebut.

Sifat yang paling sering dianggap mencirikan logam adalah konduktivitas listrik atau  konduktivitas termalnya yang tinggi. Sebagai contoh, logam konduktor listrik yang paling baik adalah tembaga sedangkan yang paling buruk adalah timbal, padahal kehambatan (resituvity) timbal hanya dua belas kali kehambatan tembaga. Sangat besarnya perbedaan konduktivitas antara logam dan non logam adalah karena pada logam yang mengalami beda potensial elektron-elektron dapat bergerak bebas, sementara pada bahan non logam tidak demikian. Jadi dapat disimpulkan bahwa karakteristik dasar logam harus dipelajari dari struktur elektronnya, atau dengan kata lain pengkajian material teknik  harus dimulai dari pemahaman struktur atom-atom yang membentuknya. 

          

I. Karakteristik Struktur Logam

Karakteristik logam ini dipelajari dari struktur elektronnya atau dengan kata lain dari pemahaman struktur atom-atom yang membentuknya. Berikut ini karakteristik dari struktur logam murni. Ion logam berukuran relatif kecil, dengan diameter sekitar 0,25 nm. Ion-ion sejenis di dlam logam padat murni tertumpuk bersama secara teratur, dan sebagian besar logam tertumpuk secara kolektif ion-ion menempati volume minimum. Logam umumnya berbentuk kristal dan penumpukan ionnya tertutup atau terbuka. Susunan atomnya dapat ditentukan dan dinyatakan berdasarkan bentuk struktur selnya. Selain itu, karena ikatan metalik tidak bergantung pada arah. Contoh, baja yang memiliki butiran yang kasar cenderung kurang tangguh dibandingkan dengan baja yang memiliki butiran yang halus. Besar butir ini dapat dikendalikan melalui komposisi pada waktu proses pembuatan, akan tetapi setelah menjadi baja, pengendalian dilakukan dengan proses perlakuan panas. Tidak semua baja mengalami pertumbuhan butir yang berarti setelah pemanasan diatas daerah kritis, beberapa jenis baja dapat dipanaskan pada suhu yang lebih tinggi tanpa mengalami perubahan ukuran butirnya. Hal ini merupakan karakteristik baja karbon sedang, suhu pengkasarannya tidak tetap dan dapat berubah-ubah, tergantung pada pengerjaan panas atau dingin sebelumnya.

a. Struktur Kristal
Logam seperti bahan lainnya, terdiri dari susunan atom-atom. Untuk lebih memudahkan pengertian, maka dapat dikatakan bahwa atom-atom dalam kristal logam tersusun secara teratur dan susunan atom-atom tersebut menentukan struktur kristal dari logam. Susunan dari atom-atom tersebut disebut cell unit.

Kebanyakan bahan logam mempunyai tiga struktur kristal:

·        kubus berpusat muka (face-centered cubic). 

·        kubus berpusat badan (body-centered cubic).

·        heksagonal tumpukan padat (hexagonal close-packed).         

          Pada temperatur kamar, besi atau baja memiliki bentuk struktur BCC (Body Centered Cubic). Dalam hal ini cell unit dari atom-atom disusun sebagai sebuah kubus dengan atom-atom menempati kedelapan dari sudut kubus dan satu atom berada di pusat kubus. Pada temperatur yang tinggi, besi atau baja memiliki bentuk struktur FCC (Face Centered Cubic). Dalam hal ini, cell unit adalah sebuah kubus dengan atom-atom menempati kedelapan dari sudut kubus dan atom lainnya berada pada pusat masing-masing dari enam keenam bidang kubus. Disamping berbentuk kubus, cell unit lainnya dapat berupa HCP (Hexagonal Close Packed), seperti halnya pada logam seng. Dalam hal ini atom-atom menempati kedua belas sudut, atom lain menempati dua sisi dan ketiga atom lagi menempati tengah.

b. Struktur Mikro

Struktur mikro logam merupakan penggabungan dari satu atau lebih struktur kristal. Pada umumnya logam terdiri dari banyak kristal (majemuk), walaupun ada diantaranya hanya terdiri dari satu kristal saja (tunggal). Tetapi logam dengan kristal majemuk memungkinkan pengembangan berbagai sifat-sifat yang dapat memperluas ruang lingkup pemakaiannya. Dalam logam, kristal sering disebut sebagai butiran. Batas pemisah antara dua kristal pemisah antara dua kristal disebut batas butir (Grain Boundary).

Baja dengan butiran yang kasar cenderung kurang tangguh, namun baja jenis ini lebih mudah untuk permesinan dan mempunyai kemampuan pengerasan yang lebih baik. Untuk baja yang berbutir halus, disamping lebih tangguh juga lebih ulet dibandingkan dengan yang berbutir kasar.

Besar butir dapat dikendalikan melalui komposisi pada waktu proses pembuatan, akan tetapi setelah menjadi baja, pengendalian dilakukan dengan proses perlakuan panas. Tidak semua baja mengalami pertumbuhan butir yang berarti setelah pemanasan diatas daerah kritis, beberapa jenis baja dapat dipanaskan pada suhu yang lebih tinggi tanpa mengalami perubahan ukuran butirnya. Hal ini merupakan karakteristik baja karbon sedang, suhu pengkasarannya tidak tetap dan dapat berubah-ubah, tergantung pada pengerjaan panas atau dingin sebelumnya.

II. Sifat logam

Logam adalah suatu unsur yang mempunyai sifat-sifat seperti : kuat, liat, keras, mengkilat, dan penghantar listrik dan panas. Sifat-sifat metal pada umumnya dapat digolongkan atas :

a. Sifat-sifat Ekstraktif/kimia (Chemical Properties)
Meliputi ciri-ciri dari komposisi kimia dan pengaruh unsur terhadap metal (logam). Beberapa contoh sifat kimia adalah

ü  segregasi dan ketahanan korosi.

Logam seprti baja memiliki nilai ketahanan terhadap korosi yang baik, karena memiliki kandungan karbon. Pada suhu kamar logam berwujud padat kecuali raksa (berwujud cair). 

ü  Titik leleh dan titik didih

Logam-logam cenderung memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi karena kekuatan ikatan logam. Kekuatan ikatan berbeda antara logam yang satu dengan logam yang lain tergantung pada jumlah elektron yang terdelokalisasi pada lautan elektron, dan pada susunan atom-atomnya.

Logam-logam golongan 1 seperti natrium dan kalium memiliki titik leleh dan titik didih yang relatif rendah karena tiap atomnya hanya memiliki satu elektron untuk dikontribusikan pada ikatan – tetapi ada hal lain yang menyababkan hal ini terjadi:

·        Unsur-unsur golongan 1 juga tersusun dengan tidak efektif (terkoordinasi 8), karena itu tidak terbentuk ikatan yang banyak seperti kebanyakan logam.

·        Unsur-unsur golongan 1 memiliki ukuran atom yang rekatif besar (berarti bahwa inti jauh dari elektron yang terdelokalisasi) yang juga menyebabkan lemahnya ikatan.

b. Sifat –sifat mekanik (Mechanical Properties)
Yang disebut sifat mekanik ialah sifat bahan bilamana dipengaruhi gaya dari luar, yaitu : kekuatan tarik, kuat bengkok, kekerasan, kuat pukul, kuat geser, dan lain-lain. Sering pula dimasukkan sifat teknologi dari material ialah mampu mesin, mampu cor dan sebagainya. Untuk lebih jelasnya berikut akan dijelaskan lebih detail .

ü  Sifat dapat ditempa dan sifat dapat diregang

Logam digambarkan sebagai sesuatu yang dapat ditempa (dapat dipipihkan menjadi bentuk lembaran) dan dapat diregang (dapat ditarik menjadi kawat). Hal ini karena kemampuan atom-atom logam untuk menggelimpang antara atom yang satu dengan atom yang lain menjadi posisi yang baru tanpa memutuskan ikatan logam.

ü  Kekerasan logam

Penggelimpangan lapisan atom antara yang satu dengan yang lain ini dihalangi oleh batas butiran karena baris atom tidak tersusun sebagai mana mestinya. Hal ini mengakibatkan semakin banyak batas butiran (butiran-butiran kristal lebih kecil), menyebabkan logam lebih keras. Untuk mengimbangi hal ini, karena batas butiran merupakan suatu daerah dimana atom-atom tidak berkaitan dengan baik satu sama lain, logam cenderung retak pada batas butiran. Kenaikan jumlah batas butiran tidak hanya membuat logam menjadi semakin kuat, tetapi juga membuat logam menjadi rapuh.

ü  Pengontrolan ukuran butiran kristal

Jika kamu memiliki bagian logam yang murni, kamu dapat mengontrol ukuran butiran kristal melalui perlakuan panas atau melalui pengerjaan logam.Pemanasan logam cenderung untuk mengocok atom-atom logam menjadi susunan yang lebih rapi – penurunan jumlah batas butiran, dan juga membuat logam lebih lunak. Pembantingan logam ketika logam tersebut mendingin cenderung untuk memhasilkan butirn yang kecil. Pendinginan membuat logam menjadi keras. Untuk memperbaiki kinerja ini, kamu dapat memanaskannya lagi.

Kita juga dapat memutuskan susunan yang atom teratur melalui penyisipan atom yang memiliki ukuran sedikit berbeda pada struktur logam. Alloy seperti kuningan (campuran tembaga dan seng) lebih keras dibandingkan logam asalnya karena ketidakteraturan struktur membantu pencegahan barisan atom tergelincir satu sama lain.

c.  Sifat – sifat Fisik (Physical Properties)

Sifat fisik adalah sifat bahan karena mengalami peristiwa fisika, seperti adanya pengaruh panas dan listrik. yaitu berat jenis, daya hantar listrik dan panas, sifat magnet dan struktur mikro logam. lebih jelas berikut akan dijelaskan lebih detail .

ü Daya hantar listrik

        Logam menghantarkan listrik. Elektron yang terdelokalisasi bebas bergerak di seluruh bagian struktur tiga dimensi. Elektron-elektron tersebut dapat melintasi batas butiran kristal. Meskipun susunan logam dapat terganggu pada batas butiran kristal, selama atom saling bersentuhan satu sama lain, ikatan logam masih tetap ada Cairan logam juga menghantarkan arus listrik, hal ini menunjukkan bahwa meskipun atom logam bebas bergerak, elektron yang terdelokalisasi masih memiliki daya yang tersisa sampai logam mendidih.

ü  Daya hantar panas

         Logam adalah konduktor panas yang baik. Energi panas diteruskan oleh elektron sebagai akibat dari penambahan energi kinetik (hal ini memnyebabkan elektron bergerak lebih cepat). Energi panas ditransferkan melintasi logam yang diam melalui elektron yang bergerak.

d.      Sifat Tekhnologi

  Sifat pengerjaan logam adalah sifat suatu bahan yang timbul dalam proses pengolahannya.sifat itu harus diketahui lebih dahulu sebelum pengolahan bahan dilakukan. Pengujian yang dilakukan antara lain pengujiian mampu las, mampu mesin, mampu cor, dan mampu keras. Logam merupakan bahan yang baik untuk diaplikasikan dalam teknologi, karena logam memiliki struktur yang kuat dan tidak mudah patah.

Sifat a dan b sangat penting bagi perencana dalam menentukan dan memilih logam untuk keperluan konstruksi dan rancangan lain.

III. TEKNIK PEMBUATAN LOGAM

Ada beberapa proses pembentukan logam dari bahan setengah jadi menjadi produk jadi yang dapat kita temui sehari-hari . proses pembentukan ini dapat dilakukan pada hampir seluruh material logam , termasuk baja. Klasifikasi peroses pembentukan logam  seperti dijelaskan dibawah ini.

ü  Proses deformasi

         Proses deformasi adalah proses pembentukan bahan logam, seperti penempaan , ekstruksi, pengerolan,   penekanan (deep drawing), dan penarikan kawat (wire drawing). Proses ini melibatkan tegangan yang besar, dimana tegangan tersebut harus melebihi tegangan luluh material yang sedang diproses. Semua material logam yang akan mengalami proses pembentukan harus memiliki keuletan tinggi , sehingga tidak retak atau pecah pada saat proses berlangsung.

Berikut ini adalah dua macam proses pembentukan

1.      Proses pembentukan dingin (cold forming) , jika proses dilakukan pada suhu kamar.

2.      Proses pembentukan panas (hot forming) , jika proses dilakukan pada suhu tinggi , diatas suhu rekristalisasi .

Pada proses pembentukan panas-oleh karena adanya bantuan dari suhu , logam dapat dideformasi lebih besar , dan tegangan yang diperlukan relatif lebih rendah jika dibandingkan dengan tegangan yang diperlukan pada proses pembentukan dingin. Namun demikian , lapisan oksida(kerak) dipermukaan logam yang diproses mudah terbentuk pada proses pembentukan panas. Sebaliknya permukaan logam yang diproses tetap mulus pada prosess pembentukan dingin , walaupun derajat deformasinya lebih rendah , dan sifat mekanis logam mengalami peningkatan yang cukup signifikan.

ü  Pengecoran

Pengecoran adalah proses fibrikasi logam, dimana logam dicairkan dan kemudian dituangkan kedalam cetakan yang memiliki bentuk sesuai desain. Pengecoran umumnya dilakukan untuk membuat komponen-komponen yang besar dan memiliki bentuk yang rumit, serta pada material yang memiliki keuletan yang sangat rendah, seperti besi tuang. Secara umum proses pengecoran relatif lebih ekonomis jika dibandingkan dengan proses pembentukan. Ada beberapa teknik pengecoran logam: a. Pengecoran pasir , cetakan terbuat dari pasir

b. Pengecoran bertekanan (die casting), logam cair dimasukkan dengan menggunakan tekanan kedalam cetakan dan pembekuan terjadi dalam kondisi bertekanan.

c. investment casting atau  lost wax casting + lubang cetakan terbuat dari plastik (wax) yang kemudian dipanaskan hingga meleleh , meninggalkan lubang cetakan sesuai bentuk yang diinginkan. Teknik investment casting ini digunakan untuk mengecor peralatan yang memerlukan tingkat presisi yang tinggi, seperti perhiasan , mahkota gigi (dental crown), sudut turbin dan lain-lain.

ü  Proses pembentukan lain

Salah satu proses pembentukan lain adalah metalurgi serbuk. Metalurgi serbuk dikenal juga sebagai P/M atau powder metalurgi. Pada proses ini, material logam dibuat menjadi serbuk melalui berbagai teknik. Kemudian serbuk ini dikompaksi (ditekan) kedalam suatu cetakan yang memiliki bentuk sesuai dengan  desian yang diinginkan. Tekanan harus dibuat sedemikian rupa sehingga serbuk dapat menyatu dan memiliki kekuatan yang cukup untuk menahan bentuknya jika dikeluarkan dari cetakan. Serbuk yang telah dikompaksi dan memiliki bentuk tertentu disebut bekalan (green). Bekalan kemidian dipanaskan agar terjadi difusi antar serbuk logam, sehingga menyatu dan memiliki kekuatan yang tinggi. Sebuah komponen dibuat melalui proses metalurgi serbuk umumnya karena

a.       Didesain untuk memiliki kandungan porositas tertentu dengan mempertahankan densitas yang tinggi seperti material padat

b.      Dibuat dari material paduan logam yang unsur-unsurnya memiliki kelarutan terbatas sehingga tidak dapat dipadu melalui proses pengecoran , contohnya Al-Ti

c.       Dibuat dari material logam yang memiliki titik lebur yang sangat tinggi

d.      Memiliki bentuk yang sangat kecil dan rumit

Dari refrensi yang berbeda proses pembentukan logam dapat dilakukan dengan cara

Pengolahan ini dapat dilakukan dengan cara:

1.  Paduan

Paduan adalah proses pencampuran dua logam atau lebih, untuk memperoleh sifat-sifat yang lebih baik dari bahan hasil paduan. Dengan memadukan dua bahan atau lebih maka dimungkinkan didapat logam paduan yang kuat. Tembaga dan timah adalah logam lemah, sedangkan perunggu; paduan dari tembaga dan timah adalah bahan yang kuat. Begitu juga paduan aluminium dengan tembaga akan menghasilkan paduan duralumin yang relatif lebih kuat. Besi murni adalah bahan yang empuk, sedangkan zat arang adalah rapuh, sedangkan paduan antara besi murni dengan zat arang (karbon) disebut baja. Baja adalah bahan logam yang sangat keras dan liat.

2. Pengolahan Panas

Dengan pengolahan panas, akan didapatkan sifat-sifat yang lebih baik dari bahan. Contohnya dengan memanaskan baja dengan cepat sekitar 800^oC dan kemudian mendinginkannya dalam minyak atau air, baja akan menjadi lebih. Istilah lain dari pengolahan panas ini disebut juga dengan  “menyepuh panas”. Pengolahan panas lain adalah antara lain memurnikan, menkarbonkan, menitrasikan dan memijarkan.

3. Penguatan

Pengokohan terjadi pada tiap perubahan bentuk dalam keadaan dingin. Contoh-contoh bentuk perubahan bentuk dalam keadaan dingin adalah menempa dingin, mencanai dingin dan menarik dingin.

4. Ditempa dan dicanai

Proses ini menggunakan palu-tempa atau dengan menggunakan canai. Produk yang dihasilkan disebut dengan logam tempa  dan logam canai. Logam yang ditempa dan logam yang dicanai disebut juga logam remas.Logam yang ditempa masuk ke pasaran dalam bentuk benda tempa dan logam yang dicanai antara lain dalam bentuk pelat, batang, profil dan pipa.

5. Dituang

Proses penuangan adalah proses memasukan logam cair ke dalam cetakan tertentu. Berbagai produk akhir yang bentuk akhirnya sedemikian rumit, maka proses pembuatannya lebih baik dengan proses penuangan. Proses penuangan banyak kita jumpai pada pembuatan bak verseneling engine mobil, piston, dan berbagai produk akhir yang bentuknya sangat rumit. 

dari penjabaran diatas merupakan tata cara pembentukan logam secara tekniknya , akan tetapi jika secara fisikanya ada beberapa cara yakni dengan cara , sintering , mealting dan partial mealting .

Sumber :

https://fiqrotul.wordpress.com/2011/12/13/logam-lebih-dalam-mengenai-material-logam/