Pengertian, Dan Sifat Titanium

 

BAB I

PENDAHULUAN

1.1              Latar Belakang

1.2       Permasalahan

Dalam memahami tentang bahan titanium dan molibdenum ini terdapat beberapa aspek permasalahan yang akan dibahas pada makalah ini yaitu sebagai berikut :

1. Sejarah dan pengertian serta sumber dari titanium dan molibdenum.
2. Cara Pembuatan Titanium dan Molibdenum beserta aplikasinya.
3. Klasifikasi paduan Titanium dan Molibdenum.
4. Dampak dan penanggulangan bahaya yang ditimbulkan oleh titanium dan Molibdenum  bagi manusia dan lingkungan

1.3 Tujuan

Makalah tentang bahan Titanium dan Molibdenum ini bertujuan untuk:

1.       Mengetahui dan memahami sifat-sifat dari Titanium dan Molibdenum meliputi sifat fisik, sifat kimia dan sifat mekanik.

2. Mengetahui dan memahami proses pembuatan Titanium dan Molibdenum.
3. Mengetahui aplikasi dari Titanium dan Molibdenum dalam berbagai aspek.
4. Mengetahui paduan-paduan (alloy) dari Titanium dan Molibdenum.
5. Mengetahui dampak serta penanggulangan dari bahaya yang ditimbulkan oleh Titanium dan Molibdenum bagi manusia dan lingkungan

1.4       Sistematika Penulisan

Makalah ini disusun dengan format sebagai berikut BAB I Pendahuluan berisi tentang Latar belakang, Permasalahan, Tujuan, dan Sistematika Penulisan laporan. BAB II Isi yang berisi mengenai landasan teori dari Titanium dan Molibdenum, BAB III Penutup berisi kesimpulan, kemudian Daftar pustaka.

BAB II

TITANIUM DAN PADUANNYA

2.1.1    Sejarah

            Titanium pertama kali ditemukan dalam mineral di Cornwall, Inggris, tahun 1791 oleh geolog amatir dan pendeta William Gregor kemudian oleh pendeta Kredo paroki. Ia mengenali adanya unsur baru dalam ilmenite ketika ia menemukan pasir hitam sungai di dekat paroki dari Manaccan dan melihat pasir tertarik oleh magnet. Analisis terhadap pasir tersebut menunjukkan adanya kehadiran dua oksida logam, yaitu besi oksida (menjelaskan daya tarik magnet) dan 45,25% dari metalik putih oksida yang pada saat itu belum dapat dipastikan jenisnya. Gregor yang menyadari bahwa unsur tak dikenal yang  mengandung oksida logam tersebut tidak memiliki kesamaan dengan sifat-sifat dari unsur yang telah lebih awal dikatahui, melaporkan penemuannya kepada Royal Geological Society of Cornwall dan di jurnal ilmiah Jerman Crell’s Annalen.

Pada waktu yang hampir bersamaan, Franz-Joseph Müller von Reichenstein menghasilkan substansi yang serupa, tetapi tidak dapat mengidentifikasi unsur tersebut. Oksida secara independen ditemukan kembali pada tahun 1795 oleh Jerman kimiawan Martin Heinrich Klaproth di dalam rutil dari Hungaria. Klaproth menemukan bahwa hal itu berisi unsur baru dan menamakannya Titan yang merupakan nama dewa matahari dari mitologi Yunani. Setelah mendengar tentang penemuan Gregor sebelumnya, ia memperoleh sampel manaccanite yang di dalamnya terdapat titanium.

2.2.2    Pengertian

Titanium adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki symbol Ti dan nomor atom 22 yang ditemukan pada tahun 1791 tetapi tidak diproduksi secara komersial hingga tahun 1950-an. Titanium ditemukan di Inggris oleh William Gregor dalam 1791 dan dinamai oleh Martin Heinrich Klaproth untuk Titan dari mitologi Yunani.

Titanium merupakan logam transisi yang ringan, kuat, tahan korosi termasuk tahan air laut dan chlorine  dengan warna putih-metalik-keperakan. Titanium digunakan dalam alloy (terutama dengan besi dan alumunium) dan senyawa terbanyaknya, titanium dioksida, digunakan dalam pigmen putih. Salah satu karakteristik titanium yang paling terkenal yaitu bersifat sama kuat dengan baja tetapi beratnya hanya 60% dari berat baja. Sifat titanium mirip dengan zirconium secara kimia maupun fisika. Titanium dihargai lebih mahal daripada emas karena sifat-sifat logamnya.

            Unsur ini terdapat di banyak mineral dengan sumber utama adalah rutile dan ilmenit, yang tersebar luas di seluruh Bumi. Ada dua bentuk alotropi dan lima isotop alami dari unsur ini; Ti-46 sampai Ti-50 dengan Ti-48 yang paling banyak terdapat di alam (73,8%).

2.2       Struktur Titanium

Titanium bersifat allotropy, yaitu memiliki dua struktur kristal yang berbeda pada temperatur yang berbeda.

·      Pada temperatur ruang, titanium murni memiliki struktur kristal hexagonal closed packed (HCP). Struktur ini disebut fasa alpha, dan stabil sampai temperature 1620^oF (882^oC) sebelum struktur kristalnya berubah.

·      Pada temperatur yang lebih tinggi, struktur kristal berubah menjadi body centered cubic (BCC). Struktur ini disebut fasa beta. Temperature transisi dari alpha menjadi beta disebut beta transus. Fasa alpha beta dari 1620 F sampai titik leleh (3130 F).

Pada paduan titanium, unsur yang ditambahkan cenderung mengubah jumlah fasa yang ada dan temperatur beta transus. Unsur-unsur yang menaikkan temperatur beta transus dengan menstabilkan fasa alpha disebut alpha stabilizer, yaitu aluminium, oksigen, nitrogen, dan karbon. Unsur-unsur yang menurunkan temperatur beta transus disebut beta stabilizer. Beta stabilizer dibagi menjadi dua, yaitu unsur beta isomorphous (kelarutan tinggi dalam titanium, termasuk molybdenum, vanadium, niobium, tantalum) dan beta eutectoid (kelarutan terbatas, termasuk silicon, kobalt, besi, nikel, tembaga, kromium).

 

 

2.3       Sifat-Sifat Titanium

Titanium murni merupakan logam putih yang sangat bercahaya. Ia memiliki berat jenis rendah, kekuatan yang bagus, mudah dibentuk dan memiliki resistansi korosi yang baik. Jika logam ini tidak mengandung oksigen, ia bersifat ductile. Titanium merupakan satu-satunya logam yang terbakar dalam nitrogen dan udara. Titanium juga memiliki resistansi terhadap asam sulfur dan asam hidroklorida yang larut, kebanyakan asam organik lainnya, gas klor dan solusi klorida. Titanium murni diketahui dapat menjadi radioaktif setelah dibombardir dengan deuterons. Radiasi yang dihasilkan adalah positrons dan sinar gamma. Ketika sinar gamma ini direaksikan dengan  oksigen, dan ketika mencapai suhu 550 ° C (1022 ° F) , sinar tersebut bereaksi dengan klorin. Sinar ini kemudian bereaksi dengan halogen yang lain dan menyerap hidrogen.

Logam ini dimorphic. Bentuk alfa heksagonal berubah menjadi bentuk beta kubus secara perlahan-lahan pada suhu 880⁰C. Logam titanium tidak bereaksi dengan fisiologi tubuh manusia (physiologically inert). Titanium oksida murni memiliki indeks refraksi yang tinggi dengan dispersi optik yang lebih tinggi daripada berlian.

2.3.1    Sifat Fisik

Titanium bersifat paramagnetik (lemah tertarik dengan magnet) dan memiliki konduktivitas listrik dan konduktivitas termal yang cukup rendah.

Sifat Fisik	Keterangan
Fasa	Padat
Massa jenis	4,506 g/cm3 (suhu kamar)
Massa jenis cair	4,11 g/cm3 (pada titik lebur)
Titil lebur	1941 K (16680C,30340F)
Titik didih	3560 K(32870C, 59490F)
Kalor peleburan	14,15 kJ/mol
Kalor penguapan	425 kJ/mol
Kapasitas kalor (250C)	25,060 J/mol.K
Penampilan	Logam perak metalik
Resistivitas listrik (20 °C)	0,420 µΩ·m
Konduktivitas termal (300 K)	21,9 W/(m·K)
Ekspansi termal (25 °C)	8.6 µm/(m·K)
Kecepatan suara (pada wujud kawat) (suhu kamar)	5090 m/s

Tabel 1.Sifat-Sifat Fisik Titanium

Tekanan Uap
P (Pa)	1	10	100	1k	10k	100k
T (K)	1982	2171	2403	2692	3064	3558

2.3.2    Sifat Kimia

            Sifat kimia dari titanium yang paling terkenal adalah ketahanan terhadap korosi yang sangat baik (pada suhu biasa membentuk oksida, TiO₂), hampir sama seperti platinum, resistan terhadap asam, dan larut dalam asam pekat. Diagram Pourbaix menunjukkan bahwa titanium adalah logam yang sangat reaktif, tetapi lambat untuk bereaksi dengan air dan udara.

·                     Reaksi dengan Air

Titanium akan bereaksi dengan air membentuk Titanium dioksida dan hydrogen.
Ti_(s) + 2H₂O_(g) → TiO_2(s) + 2H_2(g)

·         Reaksi dengan Udara
Ketika Titanium dibakar di udara akan menghasilkan Titanium dioksida dengan nyala putih yang terang dan ketika dibakar dengan Nitrogen murni akan menghasilkan Titanium Nitrida.
Ti_(s) + O_2(g) → TiO_2(s)
2Ti_(s) + N_2(g) →TiN_(s)

_·          Reaksi dengan Halogen
Reaksi Titanium dengan Halogen menghasilkan Titanium Halida. Reaksi dengan Fluor berlangsung pada suhu 200°C.
Ti(s) + 2F₂(s) → TiF₄(s)
Ti_(s) + 2Cl_2(g) → TiCl_4(s)
Ti_(s) + 2Br_2(l) → TiBr_4(s)
Ti_(s) + 2I_2(s) → TiI_4(s)

·         Reaksi dengan Asam
Logam Titanium tidak bereaksi dengan asam mineral pada temperatur normal tetapi dengan asam hidrofluorik yang panas membentuk kompleks anion (TiF₆)^3-
2Ti_(s) + 2HF _(aq) → 2(TiF₆)^3-_(aq) + 3 H_2(g) + 6 H⁺_(aq)

·         Reaksi dengan Basa
Titanium tidak bereaksi dengan alkali pada temperatur normal, tetapi pada keadaan panas.

Titanium terbakar di udara ketika dipanaskan menjadi 1200 ° C (2190 ° F) dan pada oksigen murni ketika dipanaskan sampai 610 ° C (1130 ° F) atau lebih , membentuk titanium dioksida. Sebagai hasilnya, logam tidak dapat dicairkan dalam udara terbuka sebelum titik lelehnya tercapai, jadi mencair hanya mungkin terjadi pada suasana inert atau dalam vakum.  2 ] Titanium juga merupakan salah satu dari sedikit elemen yang terbakar di gas nitrogen murni (Ti terbakar pada 800 ° C atau 1.472 ° F dan membentuk titanium nitrida). Titanium tahan untuk melarutkan asam sulfat dan asam klorida, bersama dengan gas klor, larutan klorida, dan sebagian besar asam-asam organik.

Sifat Kimia	Keterangan
Nama, Lambang, Nomor atom	Titanium, Ti,22
Deret Kimia	Logam transisi
Golongan, Periode, Blok	4,4,d
Massa atom	47.867(1)  g/mol
Konfigurasi electron	[Ar] 3d2 4s2
Jumlah elektron tiap kulit	2,8,10,2
Struktur Kristal	hexagonal
Bilangan oksidasi	4
Elektronegativitas	1,54 (skala Pauling)
Energi ionisasi	ke-1: 658.8 kJ/mol ke-2: 1309.8 kJ/mol ke-3: 2652.5 kJ/mol
Jari-jari atom	140 pm
Jari-jari atom (terhitung)	176 pm
Jari-jari kovalen	136 pm

Tabel 2.Sifat-Sifat Kimia Titanium

2.3.3    Sifat Mekanik

Sifat Mekanik	Keterangan
Modulus Young	116 Gpa
Modulus Geser	44 Gpa
Modulus Ruah	110 Gpa
Nisbah Poisson	0,32
Skala Kekerasan Mohs	6
Kekerasan Vickers	970 Mpa
Kekerasan Brinell	716 Mpa
Nomor CAS	7440-32-6

Tabel 3. Sifat-Sifat Mekanik Titanium

2.4       Sumber Titanium

            Titanium selalu berikatan dengan elemen-elemen lain di alam. Titanium merupakan unsur yang jumlahnya melimpah ke-9 di kerak bumi (0,63% berat massa) dan  logam ke-7 paling berlimpah. Titanium selalu ada dalam igneous rock (bebatuan) dan dalam sedimen yang diambil dari bebatuan tersebut. Dari 801 jenis batuan yang dianalisis oleh United States Geological Survey, terdapat 784 diantaranya mengandung titanium. Perbandingan Ti di dlam tanah adalah sekitar 0,5 sampai 1,5%.

Titanium ditemukan di meteorit dan telah dideteksi di dalam matahari serta pada bintang tipe-M, yaitu jenis bintang dengan suhu terdingin dengan temperatur permukaan sebesar 3200⁰F atau 5790⁰F. Bebatuan yang diambil oleh misi Apollo 17 menunjukkan keberadaan TiO₂ sebanyak 12,1%. Titanium juga terdapat dalam mineral rutile (TiO₂), ilmenite (FeTiO₃),dan sphene, dan terdapat dalam titanate dan bijih besi. Dari mineral-mineral  ini, hanya Rutile dan ilmenite memiliki kegunaan secara ekonomi, walaupun sulit ditemukan dalam konsentrasi yang tinggi. Keberadaan Titanium dengan bijih berupa ilmenit berada di bagian barat Australia, Kanada, Cina, India, Selandia Baru, Norwegia, dan Ukraina. Rutile dalam jumlah banyak pun juga ditambang di Amerika Utara dan Afrika Selatan dan membantu berkontribusi terhadap produksi tahunan 90.000 ton logam dan 4,3 juta ton titanium dioksida . Jumlah cadangan dari titanium diperkirakan melebihi 600 juta ton. Berikut adalah tabel penjelasan mengenai sifat-sifat dari sumber-sumber titanium.

Kategori	Mineral
Rumus Kimia	Titanium dioksida (TiO2)
Warna	Abu-abu,coklat,ungu atau hitam
Bentuk Kristal	Segi Empat
Skala kekerasan Mohs	5,5-6,5
Berat jenis (g/cm3)	4,23-5,5
Kelarutan	Tidak larut dalam asam

Tabel 4.Sifat Rutile

Rumus kimia	FeTiO 3 FeTiO3
Bentuk kristal	trigonal trigonal
Warna	schwarz, stahlgrau hitam
Skala kekerasan Mohs	5 bis 5 5-5
(g/cm³) Berat Jenis (g / cm ³)	4,5 bis 5 4,5-5

Tabel 5.Sifat Ilmenit

Warna	hijau, kuning, putih, coklat atau hitam
Bentuk Kristal	Monoklinik
Berat jenis (g/cm3)	3,3 - 3,6

·      Specific Gravity is 3.3 - 3.6Tabel 6.Sifat Sphene

Titanium juga terdapat di debu batubara, dalam tumbuhan dan dalam tubuh manusia. Sampai pada tahun 1946, proses pembuatan  logam Ti  di laboratorium yang dilakukan oleh Kroll menunjukkan cara memproduksi Titanium secara komersil dengan mereduksi titanium tetraklorida dengan magnesium. Selanjutnya logam titanium dapat dimurnikan dengan cara mendekomposisikan iodanya.

2.5       Proses Pembuatan

            Proses-proses yang diperlukan untuk mengekstrak titanium dari berbagai bijih merupakan proses yang sulit dan mahal. Logamnya tidak dapat dibuat dengan mereduksi bijih (rutil) oleh karbon (C), karena akan dihasilkan karbida yang sangat stabil. Logam Ti murni pertama kali dibuat  pada tahun 1910 oleh Matius A. Hunter di Rensselaer Polytechnic Institute dengan memanaskan TiCl₄ dengan natrium pada suhu 700-800°C yang disebut dengan proses Hunter. Logam Titanium tidak digunakan di luar laboratorium sampai 1932 ketika William Justin Kroll membuktikan bahwa Ti dapat dihasilkan dengan mereduksi titanium tetraklorida (TiCl₄) dengan kalsium. Delapan tahun kemudian proses ini disempurnakan dengan menggunakan Magnesium (Mg) yang kemudian  dikenal sebagai proses Kroll. Meskipun penelitian tentang proses untuk menghasilkan logam Ti terus berlanjut agar proses produksi Ti menjadi lebih efisien dan proses lebih murah (misalnya, proses FFC Cambridge), proses Kroll masih tetap digunakan untuk produksi komersial walaupun mahal. Itulah yang menyebabkan tingginya harga Titanium di pasaran, karena prosesnya pembuatannya yang rumit dengan melibatkan logam mahal lainnya seperti magnesium.

·         Proses Kroll

Oksida (rutile atau ilmenite) pertama kali dikonversi menjadi klorida melalui karboklorinasi dengan mereaksikan rutile atau ilmenite tersebut pada suhu nyala merah dengan menggunakan karbon (C) dan klorin (Cl₂) sehingga dihasilkan TiCl₄ (titanium tetraklorida) yang kemudian berlanjut dengan proses distilasi fraksionasi untuk membebaskannya dari kotoran seperti FeCl₃. Senyawa titanium tetraklorida, kemudian direduksi oleh lelehan magnesium bersuhu 800 °C dalam atmosfer argon. Ti yang dihasilkan masih berbentuk massa yang berbusa dimana kelebihan Mg dan MgCl₂ kemudian dibuang melalui penguapan pada suhu 1000⁰ C. Busa tersebut kemudian dilelehkan dalam loncatan listrik dan dicetak menjadi batangan Ti murni ; harus digunakan atmosfer helium atau argon karena titanium mudah bereaksi dengan N₂ dan O₂ jika dipanaskan.

Metode penemuan terbaru, proses FFC Cambridge dikembangkan untuk menggantikan proses Kroll bila memungkinkan. Metode ini menggunakan serbuk titanium dioksida (hasil pemurnian rutil) sebagai bahan baku untuk menghasilkan hasil akhir yang berupa bubuk atau spons. Jika campuran serbuk oksida digunakan, produk yang dihasilkan akan menghabiskan biaya yang lebih rendah daripada proses multi tahap peleburan konvensional. Proses FFC Cambridge dapat memproduksi titanium yang lebih langka dan mahal untuk industri penerbangan dan barang-barang mewah, dan dapat dilihat di banyak produk yang saat ini diproduksi dengan menggunakan bahan baku aluminium dan baja.

Titanium paduan biasanya dibuat dengan proses reduksi. Sebagai contoh, cuprotitanium (reduksi rutile dengan tambahan tembaga), ferrocarbon titanium (ilmenite direduksi dengan coke dalam tanur listrik), dan manganotitanium (Rutile dengan mangan atau mangan oksida) yang direduksi.

2FeTiO₃ + 7Cl₂ + 6C → 2TiCl₄ + 2FeCl₃ + 6CO (900°C)

2FeTiO₃ + 7Cl₂ + 6C → 2TiCl₄ + 2FeCl₃ + 6CO (900°C)

TiCl₄ + 2Mg → 2MgCl₂ + Ti _{(1100 °C)} TiCl₄ + 2Mg → 2MgCl₂ + Ti _{(1100 ° C)}

2.6       Isotop

iso	NA	waktu paruh	DM	DE (MeV)	DP
44Ti	syn	63 y	ε	-	44Sc
			γ	0.07D, 0.08D	-
46Ti	8.0%	Ti stabil dengan 24 neutron
47Ti	7.3%	Ti stabil dengan 25 neutron
48Ti	73.8%	Ti stabil dengan 26 neutron
49Ti	5.5%	Ti stabil dengan 27 neutron
50Ti	5.4%	Ti stabil dengan 28 neutron

Titanium alami terdiri dari 5 isotop yang stabil: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, dan 50 Ti, dengan 48 Ti yang paling melimpah (73.8% kelimpahan di alam). 11 radioisotop telah dikenali, dengan yang paling stabil adalah 44 Ti dengan waktu paruh 63 tahun, 45 Ti dengan waktu paruh 184,8 menit, 51 Ti dengan waktu paruh 5,76 menit, dan 52 Ti dengan waktu paruh 1,7 menit. Semua dari sisa radioaktif isotop memiliki waktu paruh yang kurang dari 33 detik dan mayoritas memiliki waktu paruh yang kurang dari setengah detik.

2.7       Paduan Titanium

Titanium dan paduannya mulai digunakan sebagai komponen logam pada awal abad ke-20, jenis logam ini diekstraksi dari mineral rutil yang mengandung ±97-98% TiO₂ dan diubah secara kimia menjadi TiCl4 kemudian direaksikan dengan magnesium (proses Kroll) atau sodium (proses Hunter) yang menghasilkan titanium sponge sehingga akhirnya melalui proses peleburan dihasilkanlah ingot titanium.

Tabel 8. Sifat mekanik paduan titanium

Secara umum titanium dan paduannya diklasifikasikan menjadi 4 kelompok utama berdasarkan fasa yang dominan dalam strukturnya,yaitu:

·         Titanium murni.

·          Paduan titanium alpha (α).

·          Paduan titanium alpha-beta.

·          Paduan titanium beta (β).

Masing-masing kelompok tersebut memiliki berbagai jenis paduannya seperti ditunjukkan pada tabel 3 yang juga mencantumkan komposisi kimia serta sifat mekaniknya. Unsur-unsur pemadu pada paduan titanium dapat memperbaiki sifat-sifat dari logam titanium, unsur tersebut dapat larut secara intertisi ataupun secara substitusi pada atom titanium. Unsur-unsur pemadu pada titanium berdasarkan pengaruhnya terhadap struktur mikro atau fasa stabilnya dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori, yaitu unsur paduan penyetabil fasa alpha dan fasa beta, seperti ditunjukkan pada tabel 4 di bawah ini.

 

Unsur-unsur yang ditambahkan pada titanium untuk menyetabilkan salah satu atau beberapa fasa lainnya terjadi karena unsur-unsur paduan tersebut mempengaruhi temperatur transformasinya. Alumunium merupakan unsur paduan titanium yang paling dominan sebagai unsur penyetabil fasa alpha dan akan meningkatkan temperatur beta transus (temperatur transformasi fasa beta) serta akan memberikan kekuatan yang tinggi pada temperatur tinggi. Unsur-unsur lainnya sebagai unsur pemadu pada titanium adalah krom, besi, mangan, molibdenum, dan vanadium. Penambahan unsur-unsur ini akan memperkuat dan meningkatkan jumlah fasa beta yang diperoleh pada temperatur kamar.

Pada temperatur tinggi, titanium mudah bereaksi terutama dengan unsur-unsur intertisi (oksigen, hidrogen, dan nitrogen) membentuk oksida, hidrida atau nitrida atau unsur intertisi tersebut dapat larut pada permukaan titanium. Reaksi oksidasi yang terjadi di atas temperatur 593 C akan menghasilkan lapisan oksida di permukaan yang bersifat kontinyu., artinya lapisan yang terbentuk tidak terdapat celah atau bagian yang terbuka (tertutup bagi difusi oksigen) sehingga tidak lagi menimbulkan reaksi oksidasi berikutnya. Dengan demikian, titanium menjadi bersifat sangat pasif terhadap larutan. Karakteristik ini menyebabkan katahanan korosi dari titanium dan paduannya menjadi lebih baik. Titanium yang tidak dipadu atau titanium murni, memiliki kemurnian antara 99%-99,5% dan sisanya adalah unsur-unsur intertisi yaitu oksigen, nitrogen dan karbon. Titanium murni memiliki kekuatan yang lebih rendah dibandingkan paduannya tetapi memiliki ketahanan korosi yang lebih baik. Kekuatan titanium murni sangat ditentukan oleh unsur-unsur intertisi dalam batas yang diijinkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2 di bawah ini dan jika terlalu banyak akan menyebabkan penggetasan. Pengaruh penguatan dari unsur-unsur intertisi dinyatakan dalam persamaan:

%O equiv=%O + 2(%N) + 0,67 (%C)

,setiap peningkatan 0,1%O equiv dalam titanium murni akan meningkatkan kekuatan sebesar 17,5 ksi. Struktur equiaksial pada titanium dikembangkan melalui penguatan regang anil, yaitu proses pengerjaan dingin dan diikuti dengan pemanasan sampai temperatur re-kristalisasi dengan struktur mikro.

a.                  Alpha Alloys

Alpha alloys adalah titanium murni yang diperkuat dengan solid solution strengthening dengan unsur penambah seperti aluminium (5-6%), tin, nikel, dan tembaga. Alpha tidak mengandung beta pada temperature ruang. Alpha alloys kurang ductile dan lebih sulit dibentuk, karena terbatasnya slyp system pada HCP, tidak dapat di-heat treatment, dapat dilas, memiliki kekuatan sedang, derajat kekerasan bagus, dan sangat stabil pada temperature diatas 540^oC (1000^oF).

Paduan ini secara dominan memiliki struktur kristal HCP  pada temperatur kamar, sehingga pada dasarnya paduan ini memiliki fasa alpha meskipun ada dalam paduan yang memiliki sejumlah kecil unsur paduan penyetabil  fasa beta seperti pada paduan Ti-8Al-Mo-V (unsur paduan Mo dan V masing-masing 1%) yang memiliki keuletan yang baik, paduan tersebut merupakan salah satu jenis dari paduan titanium near alpha. Pada Gambar 5 ditunjukkan pengaruh penambahan unusr-unsur pemadu substitusi terhadap sifat mekanik paduan titanium. Unsur terpenting dari kelompok tersebut adalah Alumunium yang merupakan unsur substitusi alpha yang paling dominan yang dapat meningkatkan temperatur transformasi dari fasa alpha ke fasa beta dari temperatur 885⁰C untuk titanium murni sampai 1240⁰C untuk paduan yang mengandung 29%Al. Menurut Mc.Quillan, keberadaan unusur alumunium sampai 1% hampir tidak memiliki pengaruh terhadap temperatur transformasi allotropi titanium, dan peningkatan kandungan alumunium selanjutnya akan menaikan tamperatur transisi yang cukup mencolok.

b.      Beta alloys

Unsur penyetabil dalam paduan titanium beta ini diantaranya adalah vanadium, molibdenum, krom dan kobalt. Untuk meningkatkan kekuatan dari paduan ini adalah melalui proses perlakuan panas dan pengerjaan dingin. Beta alloys memiliki ductility bagus, dan mudah dibentuk ketika tidak di-heat treatment, dapat dilas, dan sangat stabil pada temperatur di atas 315oC (600oF). Beberapa dapat di-age hardening untuk menyebabkan precipitation fasa alpha atau senyawa intermetalik, dan menghasilkan kekuatan yang sangat tinggi namun ductility dan kekerasan berkurangPaduan titanium beta memiliki berat jenis dan kekuatan yang paling tinggi diantara semua jenis paduan titanium, jenis paduan beta yang diproduksi dalam jumlah besar adalah Ti-3Cr-11V-3Al dengan komposisi 13% vanadium, 11% chromium, dan 3% aluminium Dalam paduan titanium beta, terdapat 2 sistem penyetabil fasa beta yaitu beta isomorfus dan beta eutektoid. Unsur-unsur penyetabil beta isomorfus adalah vanadium, molibdenum, niobium dan tantalum. Unsur-unsur tersebut tidaak membentuk senyawa intermetalik sehingga tidak menyebabkan peningkatan kekerasan dan kekuatan dari paduan titanium serta unsur-unsur tersebut dapat menurunkan berat jenis paduan. Gambar 6 memperlihatkan tipe diagram fasa sistem beta isomorfus, dalam sistem ini unsur-unsur paduan larut sempurna dalam fasa beta dan beta transus turun dengan meningkatnya kandungan unsur padua penyetabil fasa beta. Dalam paduan ini, fasa beta yang stabil terbentuk hanya jika konsentrasi unsur paduannya cukup tinggi, sehingga paduan jenis ini akan memiliki banyak keuntungan.

 

c.       Alpha-beta alloys

Alpha-beta alloys adalah paduan titanium yang strukturnya mengandung sebagian alpha dan sebagian beta pada temperature ruang. Alpha-beta alloys memiliki sifat mekanik yang sangat seimbang, dan yang paling sering digunakan, ada yang dapat dilas dan tidak, ketahanan korosinya sangat tinggi pada temperature ruang, lebih mudah dibentuk, dan sangat stabil sampai temperatur 425^oC (800^oF). Unsur-unsur beta stabilizer seperti molybdenum, vanadium, columbium, dan tantalum ketika ditambahkan ke titanium murni cenderung menaikkan fasa beta pada temperatur ruang. Sedangkan unsur alpha stabilizer akan menaikkan fasa alpha.

Salah satu paduan titanium seperti TI-6Al-4V yang mengandung 6% aluminium dan 4% vanadium memiliki struktur 2 fasa, yaitu setengah alpha dan setengah beta pada temperature ruang, aluminium menstabilkan fasa alpha dan vanadium menstabilkan fasa beta. Ketika paduan ini dipanaskan sampai pada temperatur 1725^oF (955^oC), paduan bertansformasi semua menjadi struktur beta. Ketika di-water quench sampai temperatur ruang, fasa beta akan seimbang, paduan ingin bertransformasi menjadi fasa alpa namun dicegah dengan water quench. Proses ini disebut solution treating, dan paduan memiliki kekuatan tinggi pada kondisi ini, namun kekerasan dan kekuatan dapat lebih ditingkatkan dengan aging selama 4 jam pada 1000^oF (539^oC). saat aging, dipisahkan bagian precipitate fasa alpha dengan fasa beta yang seimbang. Dengan demikian, alpha-beta alloys adalah paduan hasil precipitation hardening. Ada beragam paduan alpha-beta dengan kekuatan yang berbeda dan dengan mekanisme precipitation hardening precipitation hardening yang berbeda, namun 6Al-4V adalah yang paling penting.

d.      Near Alpha Alloys

Near alpha alloys adalah paduan titanium yang mengandung banyak alpha dengan sedikit beta, dan beberapa fasa beta tersebar di semua susunan alpha. Secara umum mengandung 5-8% aluminium, beberapa zirconium, dan timah bersama dengan beberapa unsur-unsur beta stabilizer. Paduan ini memiliki kekuatan pada temperature tinggi, dan ketahanan creep yang sangat bagus sehingga paduan ini digunakan pada temperature tinggi. Penambahan silicon 0.1-0.25% meningkatkan ketahanan creep. Near-alpha alloys pada temperature tinggi termasuk Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,25Si) dan IMI 829 (Ti-5,5Al-3,5Sn-3Zr-1Nb-0,3Si) yang dapat digunakan sampai 1000^oF, dan IMI 834 (Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si) dan Ti-1100 (Ti-6Al-2,8Sn-4Zr-0,4Mo-0,4Si) adalah modifikasi dari Ti-6242S yang dapat digunakan sampai 1100^oF.

e.         Near-beta Alloys

Near beta alloys adalah paduan titanium yang mengandung banyak beta dengan sedikit alpha.

Unsur paduan titanium dapat berupa aluminium, vanadium, molibdenum, mangan, timah, besi dll dengan harapan unsur paduan ini dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan dan workability.

Sifat mekanik dan karakter manufaktur dari paduan titanium sangat sensitif terhadap sedikit variasi pada unsur paduan dan residu. Sehingga pengontrolan komposisi dan pemrosesan menjadi sangat penting, termasuk pencegahan kontaminasi permukaan terhadao hidrogen, oksigen dan nitrogen selama proses. Unsur-unsur tersebut akan meningkatkan kegetasan titanium dan mengurangi keuletannya.  

Pada suhu di atas 880⁰C, Ti memiliki struktur kubus pemusatan ruang (bcc-beta titanium) dan bersifat ulet (ductile) sedangkan pada suhu ruang membentuk hexagonal close-packed (hcp-alpha titanium), bersifat getas (brittle) dan sangat sensitif terhadap korosi tegangan. Variasi struktur lain (alpha, near-alpha,alpha beta,beta) dapat diperolah dengan membuat paduan dan perlakuan panas (heat treatment) sehingga sifatnya dapat dioptimalkan untuk aplikasi khusus.

Titanium aluminide intermetallics (TiAl, Ti₃Al) memiliki kekakuan lebuh tinggi dan berat jenis lebih rendah serta lebih tahan terhadap suhu tinggi dibanding dengan paduan Ti yang lain.

Sebagai bahan teknik titanium banyak penggunaannya. Titanium adalah logam dengan warna putih keperak-perakan, titik lebur 1668°C dan masa jenisnya 4,505 kg/dm3 .Titanium yang tidak murni/campuran dalam perdagangan dapat digolongkan:

• unsur-unsur yang membentuk interstisi larutan padat (solid solution ) O₂ , N, C dan H₂ dan lain –lain.
• Unsur-unsur yang membentuk substitusi larutan padat (Fe dan unsur-unsur logam lain ).Oksigen dan nitrogen dengan persentase kecil dalam titanium alloy dapat mengurangi ductility secara drastis. Kandungan karbon dengan lebih dari 0,2% menurunkan ductility dan kekuatan pukul dan titanium alloy. Paduan titanium terdiri dari vanadium, molibden, chrom, mangan,aluminium timah, besi dll. Paduan ini memiliki sifat-sifat mekanik yang tinggi dengan rasa jenis yang rendah, sangat tahan korosi, banyak digunakan dalam industri pesawat terbang.

Produksi Titanium:

1.      Bijih utama titanium adalah rutile mengandung 98-99% TiO₂ dan ilmenite kombinasi antara FeO dengan Ti O₂. Rutile lebih baik karena mengandung lebih banyak Ti.

2.      Untuk mendapatkan logam dari bijih TiO₂ diubah menjadi titanium tetrachloride (TiCl₄) dengan memasukkan gas chlorine. Diikuti dengan proses penyulingan (distillation) untuk menghilangkan ketidakmurnian.

3.      Titanium tetrachloride dengan konsentrasi tinggi lalu direaksikan dengan magnesium untuk direduksi menjadi titanium, dikenal dengan proses Kroll. Sodium juga dapat digunakan sebagai zat pereduksi. Lingkungan gas mulia diperlukan untuk mencegah O₂, N₂ dan H₂ bereaksi dengan Ti karena afinitas yang dimiliki logam agar tidak terjadi pengerasan sehingga dapat dicor dalam bentuk ingot.

2.7.1    Perlakuan Panas Paduan Titanium

Dilihat dari struktur mikronnya paduan titanium terdiri atas fasa a, fasa a+b, dan fasa b. Kepada fasa b tidak dapat dilakukan perlakuan panas sedangkan pada fasa a+b dan fasa b dapat dilakukan perlakuan panas.Pada fasa a terutama mengandung Al dan Sn yang berguna setelah pelunakan atau penganilan dan penghilangan tegangan.

Paduan titanium dapat membentuk martensit dan fasa a’ dengan pendinginan cepat dari fasa , tetapi tidak begitu keras, yang memberikan sedikit pengaruh terhadap sifat-sifat mekanis. Pada paduan fasa a+b yaitu jika fasa b lebih banyak, yang didinginkan pada air setelah dipanaskan sampai fasa a+b maka a+b merupakan struktur yang berbentuk bulat. Fasa b yang terbentuk, merupakan fasa meta yang stabil, tidak langsung terurai menjadi fasa a+b tetapi melalui suatu fasa antara yaitu fasa w, yang mempunyai sifat keras dan getas, presipitasi harus dihindari dalam hal ini. Biasanya dipanaskan lebih tinggi dari temperature presipitasi w yang kemudian terurai menjadifasa a+b yang halus. Kalau fasa a lebih banyak perlu dicelup dingin dari fasa b untuk mendapat a’+b yang kemudian harus dipanaskan kembali untuk mendapatkan fasa b menjadi struktur a+b yang halus. Paduan fasa b dapat berubah menjadi martensit karena pencelupan dingin dan fasa b yang tersisa dipanaskan ke temperatur yang lebih tinggi daripada temperature presipitasi fasa w untuk membuat presipitasi fasa a yang halus.

2.8       Keunggulan Titanium

• Salah satu karakteristik Titanium yang paling terkenal adalah dia sama kuat dengan baja tapi hanya 60% dari berat baja.
• Kekuatan lelah (fatigue strength) yang lebih tinggi daripada paduan aluminium.
• Tahan suhu tinggi. Ketika temperatur pemakaian melebihi 150 C maka dibutuhkan titanium karena aluminium akan kehilangan kekuatannya secara nyata.
• Tahan korosi. Ketahanan korosi titanium lebih tinggi daripada aluminium dan baja.
• Dengan rasio berat-kekuatan yang lebih rendah daripada aluminium, maka komponen-komponen yang terbuat dari titanium membutuhkan ruang yang lebih sedikit dibanding aluminium.

·         Titanium tahan bila ditempa, wieldable dan mudah bekerja.

2.9       Aplikasi Titanium

2.9.1    Bidang kedokteran

a.         Karena bersifat non-feromagnetik , saat ini titanium umum digunakan untuk medis, misalnya untuk mengganti tulang yang hancur atau patah. Sudah terbukti bahwa bahan titanium kuat dan tidak berubah ataupun berkarat di dalam tubuh manusia. Didalam tubuh manusia terdapat begitu banyak zat yang sesungguhnya dapat membuat bahan metal apapun menjadi berkarat dan tidak dapat bertahan lama, tetapi tidak demikian halnya dengan bahan titanium, yang sekali lagi memang sudah terbukti bisa bertahan dalam tubuh manusia walaupun bertahun tahun digunakan. Selain itu, Titanium digunakan sebagai bahan pengganti sendi dan struktur penahan katup jantung.

b.         Digunakan dalam implant gigi (dengan jangka waktu lebih dari 30 tahun), karena kemampuannya yang luar biasa untuk berpadu dengan tulang hidup ( osseointegrate ).

c.         Digunakan untuk terapi kesehatan

            Tahap awal dalam membuat gelang magnetik ini adalah membentuk bahan dasar mentah titanium menjadi bagian bagian dari gelang magnetic. Proses ini cukup sulit, baik dari proses pembetukan sampai kepada pemotongan bagian demi bagian, hal itulah yang menyebabkan tidak banyak pabrik yang memproduksi berbahan titanium ( khususnya gelang magnetik).

      Setelah pembentukan dan pemotongan selesai , selanjutnya masuk ke tahap adjust magnetic powder ke dalam bulatan bulatan yang sudah disediakan, magnetic yang digunakan adalah magnet negatif dalam bentuk powder yang dimana kekuatan magnet berkisar 3000-3500 gouss. Selanjutnya masuk ke dalam tahap akhir pembuatan gelang magnetic. Proses ini tidak bisa dilakukan oleh mesin. Oleh sebab itu proses ini dilakukan dengan tenaga manusia (hand made) dirangkai satu demi satu ( piece by piece )

Karena proses yang begitu rumit dan panjang membuat bahan titanium menjadi salah satu bahan terbaik dan menjadi salah satu perhiasan yang dikombinasikan dengan therapy kesehatan yang cukup bernilai. Laboratorium teknologi & industri Nigata Jepang bahkan melakukan penelitian yang menunjukkan bahwa titanium dapat meningkatkan sirkulasi darah bagi pemakainya.

d.            Karena ini bio-kompatibel (tidak beracun dan tidak ditolak oleh tubuh), titanium digunakan dalam aplikasi medis termasuk alat-alat operasi.

2.9.2    Bidang industri

a.         Kira-kira 95% hasil Titanium digunakan dalam bentuk Titanium dioksida (TiO₂),sejenis pigmen putih terang yang kekal dengan kuasa liputan yang baik untuk cat, kertas, obat gigi, dan plastik.

b.         Digunakan pada industri kimia dan petrokimia sebagai bahan unutk alat penukar panas (heat exchanger)dan bejana bertekanan tinggi serta pipa-pipa tahan korosi memakai bahan titanium.

c.         Industri pulp dan kertas menggunakan titanium dalam peralatan proses yang terkena media yang korosif seperti sodium hipoklorit atau gas klor basah). Aplikasi lain termasuk pengelasan ultrasonic dan  gelombang solder.

2.9.2    Aplikasi lain

·         Alloy Titanium digunakan dalam pesawat, plat perisai, kapal angkatan laut, peluru berpandu. Dapat juga digunakan dalam perkakas dapur dan bingkai kaca (yang nilai ekonomisnya tinggi).

·         Titanium yang dialloykan bersama Vanadium digunakan dalam kulit luaran pesawat terbang, peralatan pendaratan, dan saluran hidrolik.

·         Karena daya tahannya yang baik terhadap air laut, Titanium digunakan sebagai pemanas-pendingin akuarium air asin dan pisau juru selam.

·         Di Rusia, Titanium menjadi bahan utama dalm pembuatan kapal angkatan perang termasuk kapal selam seperti kelas Alfa, Mike dan juga Typhoon karena kekuatannya terhadap air laut.

·         Bahan utama batu permata buatan manusia yang secara relatif agak lembut.

·         Titanium tetraklorida (TiCl4), cairan tidak berwarna yang digunakan untuk melapisi kaca.

·         Titanium dioksida (TiO2) digunakan dalam pelindung matahari karena ketahanannya terhadap ultra ungu.

·         Karena kelengaiannya dan menghasilkan warna yang menarik menjadikan logam ini populer untuk menindik badan.

·         Titanium bias dianodkan untuk menghasilkan beraneka warna.

·         (Militer). Karena kekuatannya, unsur ini digunakan untuk membuat peralatan perang (tank) dan untuk membuat pesawat ruang angkasa.

• (Mesin). Material pengganti untuk batang piston.

·         Titanium nitrida (TiN), mempunyai kekerasan setara dengan safir dan carborundum (9,0 pada Skala Mohs) , sering digunakan untuk melapisi alat potong seperti bor. TiN juga dimanfaatkan  sebagai penghalang logam dalam fabrikasi semikonduktor.

·         Titanium tetraklorida (titanium (IV) klorida, TiCl₄, kadang-kadang disebut “Tickle”) adalah cairan tak berwarna yang digunakan sebagai perantara dalam pembuatan titanium dioksida untuk cat. Hal ini secara luas digunakan dalam kimia organik sebagai Lewis asam, misalnya di Adisi aldol kondensasi. Titanium juga membentuk klorida yang lebih rendah, titanium (III) klorida (TiCl 3), yang digunakan sebagai agen pereduksi.

·         Titanium digunakan untuk Sharpless epoxidation. Senyawa lain termasuk titanium bromida (digunakan dalam metalurgi, superalloy, dan suhu tinggi dan pelapisan kabel listrik) dan titanium karbida (ditemukan dalam suhu tinggi alat pemotong dan coating).

·         Natrium Titranat

            Dapat digunakan untuk pesawat televise, radar, mikrofon dan fonograf.

·         Titanium Tetraklorida

            Dapat digunakan untuk mordan (pengikat) pada pewarnaan.

·         Titanium Oksida

            Dapat digunakan untuk pembuatan batang las, email porselen, karet, kertas dan tekstil.

·         Titania
Dapat digunakan untuk perhiasan (batu titania)

2.10     Bahaya Titanium Bagi Kesehatan dan Lingkungan

2.10.1  Bagi Kesehatan

·         Implan berbasis titanium menimbilkan korosi dan menghasilkan puing-puing logam sehingga berpotensi menyebabkan kerusakan hati dan ginjal.

·         Titanium tetraklorida berpotensi menyebabkan iritasi kulit dan gangguan pada paru-paru jika terhirup

·         Karsinogen (titanium dioksida)

·         Menyebabkan batuk dan nyeri apabila terhirup (titanium karbida)

2.10.2  Bagi Lingkungan

·         Titanium diketahui tidak berbahaya bagi lingkungan

2.11     Penanggulangan Dampak Titanium Bagi Kesehatan

·         Bersentuhan dengan kulit. Basahi kulit secara menyeluruh dengan air. Dapatkan bantuan medis bila iritasi berkembang atau berlanjut.

·         Bersentuhan dengan mata. Segera bilas mata dengan air. Lepaskan lensa kontak, dan teruskan membilas dengan air mengalir selama setidaknya 15 menit. Tahan kelopak mata untuk memastikan seluruh bagianmata dan kelopak mata terbilas dengan air. Segera minta bantuan medis.

·         Tertelan. Bilas mulut secara sempurna. Jangan dimuntahkan tanpa petunjuk pusat pengendali racun. Jangan sekali-kali memberikan apa pun lewat mulut kepada orang yang tidak sadar. Bila bahan tertelan dalam jumlah besar, segera hubungi pusat pengendali racun.