SUSUNAN PADUAN

4. SUSUNAN PADUAN

4.1 Definisi

Suatu paduan (alloy) adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat logam, terdiri dari dua atau lebih komponen (unsur), dan sedikitnya satu komponen utamanya adalah logam.

Suatu sistem paduan adalah suatu sistem yang terdiri dari semua paduan yang dapat terbentuk dari beberapa unsur dengan semua macam komposisi yang mungkin dapat dibuat.

Paduan dapat diklasifikasikan menurut sturkturnya dan sistem paduan diklasifikasikan menurut Diagram Keseimbangannya (Diagram fasenya)            .

Suatu paduan dapat berupa susunan yang homogen atau campuran (mixture). Jika berupa susunan yang homogen paduan akan terdiri dari satu fase tunggal dan bila berupa campran paduan akan terdiri dari beberapa fase.

Fase (phase) adalah bagian dari material, yang homogen komposisi kimia dan strukturnya, dapat dibedakan secara fisik, dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain material itu. Suatu fase dapat dibedakan dari fase lain dengan melihat keadaan fisiknya, ada fase gas, cair, dan padat. Bagian material dengan komposisi kimia yang berbeda dikatakan sebagai fase yang berbeda. Struktur lattice juga membedakan satu fase dengan fase lain. Logam yang memiliki sifat allotropi misalnya, setiap bentuk allotropinya merupakan fase tersendiri, walaupun komposisi kimia dan keadaan fisiknya sama.

Pada paduan dalam keadaan padat ada tiga kemungkinan macam fase, yaitu sebagai :

1. Logam murni

2. Compound (senyawa)

3. Larutan padat (solid solution)

Suatu paduan dalam keadaan padat, jika homogen, maka ia hanya mungkin berupa larutan padat atau berupa senyawa. Bila paduan itu merupakan mixture maka ia dapat terdiri dari kombinasi dari fase-fase yang mungkin terjadi pada keadaan padat di atas, mungkin berupa kombinasi dua logam murni, atau dua larutan padat, atau larutan padat dan senyawa, dan sebagainya.

4.2. Logam murni

Pada kondisi ekuilibrium suatu logam murni akan mengalami perubahan fase pada suatu temperatur tertentu, perubahan fase dari padat ke cair akan terjadi pada temperatur tertentu, dinamakan titik cair, dan perubahan ini berlangsung pada temperatur yang tetap hingga seluruh perubahan selesai (lihat kurva pendinginan pada gambar 4.1). demikian juga halnya dengan perubahan fase yang lain (bila ada), berlangsung pada suatu temperatur konstan tertentu.

4.3. Compound

Compound atau senyawa adalah gabungan dari beberapa unsur dengan perbandingan tertentu yang tetap. Compound memiliki sifat dan struktur yang sama sekali berbeda dari unsur-unsur pembentuknya. Compound juga memiliki titik lebur/beku tertentu yang tetap, seperti halnya pada logam murni.

Ada tiga macam compound yang sering dijumpai yaitu :

1.      Intermetallic compound, biasanya terbentuk dari logam-logam yang sifat kimianya sangat berbeda dan kombinasinya mengikuti aturan valensi kimia. Ikatan atom-atomnya sangat kuat (ionik atau kovalen), sehingga sifatnya seperti non-metal, keuletan rendah, konduktifitas listrik juga rendah dan struktur kristalnya kompleks.

Contoh : CaSe, Mg₂Pb, Mg₂Sn, Cu₂Se.

2.      Interstitial compound, biasanya terbentuk dari logam-logam transisi seperti Scandium (Sc), Titanium (Ti), Tantalum (Ta), Wolfram (W) dan besi (Fe) dengan Hidrogen (H), Oksigen (O), Carbon (C), Boron (B) dan Nitrogen (N). Kelima unsur ini diameter atomnya sangat kecil sehingga dapat masuk ke dalam lattice kristla logam di atas secara interstitial. Senyawa interstitial bersifat metalik, komposisi kimia mungkin dapat bervariasi dalam daerah yang sempit, titik leburnya tinggi dan sangat keras.

Contoh : Fe3C, TiC, TaC, W2C, Fe4N, CrN, TiH.

3.      Electron compound, senyawa ini dapat terbentuk di antara logam-logam Tembaga (Cu), Emas (Au), Perak (Ag), Besi (Fe) dan Nickel (Ni) dengan logam-logam Cadmium (Cd), Magnesium (Mg), Timah putih (Sn), Seng (Zn) dan Aluminium (Al). Senyawa ini terjadi dengan kompossi kimia sedemikian rupa sehingga mendekati perbandingan jumlah-elektron-valensi dengan jumlah-atom yang tertentu.

Contoh dapat dilihat pada Tabel 4.1. di bawah.

Tabel 4.1 Examples of Electron Compounds

ELECTRON-ATOM RATIO 3:2 (BCC STRUCTURE)	ELECTRON-ATOM RATIO 21:13 (COMPLEX CUBIC)	ELECTRON-ATOM RATIO 7:4 (CPH STRUCTURE)
AgCd AgZn Cu2Al AuMg FeAl Cu2Sn	Ag2Cd3 Cu2Al3 Cu3Sn4 AuZn FeZn Cu2Zn	AgCd3 Ag2Al3 AuZn3 Cu3Si FeZn2 Ag3Sn

4.4. Solid solution (larutan padat)

Suatu larutan terdiri dari dua bagian yaitu solute (terlarut) dan solvent (pelarut). Solute merupakan bagian yang lebih sedikit, sedang solvent adalah bagian yang lebih banyak.

Biasanya jumlah solute yang dilarutkan oleh solvent merupakan fungsi temperatur, makin meningkat dengan naiknya temperatur. Ada tiga kemungkinan kondisi larutan yaitu tidak jenuh (unsaturated), jenuh (saturated) dan lewat jenuh (supersaturated). Larutan dikatakan tidak jenuh bila jumlah solute yang terlarut masih di bawah jumlah yang mampu dilarutkan oleh solvent pada temperatur dan tekanan yang dimaksud. Jika jumlah solute yang larut tepat mencapai batas kelarutannya dalam solvent, dikatakan sebagai larutan jenuh. Larutan lewat jenuh terjadi bila jumlah solute yang larut telah melampaui batas kelarutannya pada temperatur dan tekanan tersebut.

Dalam keadaan lewat jenuh ini larutan berada dalam kondisi tidak ekuilibrium, ia tidak stabil. Dalam jangka waktu lama atau dengan penambahan sedikit energi saja cenderung akan menjadi stabil, mencapai ekuilibrium, dengan terjadinya pengendapan/pemisahan solute, sehingga larutan menjadi larutan jenuh.

Suatu solid solution (larutan padat) adalah larutan dalam keadaan padat, terdiri dari dua atau lebih jenis atom yang berkombinasi dalam satu jenis space lattice. Biasanya kelarutan (solubility) dalam keadaan padat jauh lebih rendah daripada kelarutan pada keadaan cair.

Larutan padat mempunyai titik beku yang berbeda dari titik beku solvent yang murni. Pada umunya larutan tidak membeku pada satu temperatur tertentu, tetapi pembekuan terjadi pada suatu daerah temperatur tertentu (range of temperature). Pembekuanya tidak terjadi pada temperatur konstan, pembekuan berlangsung bersamaan dengan penurunan temperatur (lihat gambar 4.2).

Dari gambar di atas tampak bahwa pembekuan suatu larutan 50% Sb, 50% Bi terjadi pada temperatur yang lebih rendah daripada beku antimon (1770 8F) dan lebih tinggi daripada titik beku bismuth (520 8F). Larutan mulai membeku pada 940 8F dan selesai pada temperatur 660 8F.

Ada dua jenis larutan padat yaitu larutan padat substitusional (substitutional solid solution) dan larutan padat interstisial (interstitial solid solution).

4.4.1. Larutan padat substitusional

Pada larutan padat jenis ini atom solute menggantikan tempat (substitusi) atom solvent dalam struktur lattice solvent. Keseluruhan sistem akan merupakan seri yang kontinyu dari larutan padat, semua komposisi akan selalu merupakan larutan padat.

Pada alloy system ada beberapa faktor yang mempengaruhi kelarutan, yaitu :

1.      Crystal structure factor. Complete solid solubility, kemampuan membentuk larutan padat dengan segala komposisi (kelarut-padatan lengkap), tidak akan terjadi bila kedua unsurnya, solute dan solvent, struktur kristalnya tidak sama. Jadi pada substitutional solid soulution kedua unsurnya harus memiliki struktur kristal sama.

2.      Relative size factor. Terbentuknya suatu larutan padat akan mudah terjadi bila perbedaan diameter atom tidak terlalu besar, tidak lebih dari 15%. Bila perbedaan ini lebih dari 15% maka kelart-padatannya (solid solubility) akan sangat terbatas. Misalnya timah hitam dengan perak yang memiliki perbedaan diameter atom 20%, maka kelarut-padatan timah hitam pada perak hanya sekitar 1,5%, sedang kelarut-padatan perak dalam timah hitam malah hanya 0,1%.

Antimon dan bismuth dapat saling melarutkan pada segala komposisi, kelarut-padatannya tidak terbatas, karena perbedaan diameter atom hanya 7% dan struktur krsitalnya sama, (rhombohedral). Sedang kelarutan antimon dalam aluminium (fcc), dengan perbedaan diameter atom 2%, hanya 0,1%, karena struktur kristalnya tidak sama.

3.      Chemical affinity factor. Makin besar chemical affinity antara dua logam makin kecil kemungkinannya membentuk suatu larutan padat lebih cenderung akan terjadi senyawa. Biasanya makin jauh jarak antara dua unsur dalam Tabel Periodik makin besar pula chemical affinity antara keduanya.

4.      Relative-valence factor. Bila solute metal memiliki valensi berbeda dari solvent maka jumlah elektron valensi per atom, disebut juga electron ratio akan berubah. Dan struktur kristal lebih peka terhadap penurunan electron ratio daripada terhadap kenaikan electron ratio. Jadi dengan kata lain logam bervalensi lebih rendah dapat melarutkan lebih banyak logam bervalensi lebih tinggi daripada sebaliknya. Misalnya dalam sistem paduan aluminium-nickel, keduanya fcc, relative size factor 14%. Aluminium bervalensi lebih tinggi, kelarutannya dalam nickel dapat mencapai 5%, tetapi aluminium hanya mampu melarutkan hanya 0,04% nickel.

Dengan memperhatikan keempat faktor di atas akan dapat ditentukan estimasi kelarutan suatu logam dalam logam lain. Perlu diperhatikan bahwa dengan relative size factor yang kurang menguntungkan saja dapat dipastikan bahwa kelarutan akan sangat terbatas. Bila relative size factor menguntungkan barulah ketiga faktor lain akan ikut menentukan derajat kelarutan suatu logam dalam logam lain.

4.3.2. Interstitial solid solution

Larutan ini terbentuk bila atom denagn diameter yang sanagt kecil dapat masuk (menyisip) di rongga antaratom dalam struktur lattice dari solvent dengan diameter atom yang besar. Karena celah (rongga) antar atom dalam suatu struktur lattice sangat kecil maka hanya atom yang sangat kecil, dengan radius kurang dari satu Angstrom, yang dapat menyisip dan membentuk larutan padat interstisial. Atom tersebut adalah hidrogen (0,46 A), boron (0,97), carbon (0,71) dan oksigen (0,60).

Larutan padat interstisial biasanya mempunyai kelart-padatan sangat terbatas, dan biasnya juga tidak penting, kecuali larutan padat karbon dalam besi, yang sangat banyak mempengaruhi struktur dan sifat baja.

Larutan padat, interstisial maupun substitusional mempunyai struktur lattice yang terdistorsi, terutama di sekitar tempat solute atom.

Gambar 4.3. Schematic representation of both types of solid solutions (a) Substituonal      (b) Interstitial

Distorsi ini akan mengganggu gerakan dislokasi pada bidang slip dan karenanya adanya solute atom akan menaikkan kekuatan suatu paduan. Hal ini merupakan salah satu dasar penguatan logam dengan pemaduan.

Berbeda dengan intermetallic dan interstitial compound, larutan padat mudah dipisahkan.diuraikan, mencair pada daerah temperatur tertentu, sifatnya dipengaruhi oleh sifat solvent dan solute, komposisinya dapat bervariasi sangat luas, sehingga tidak dapat dinyatakan dengan suatu rumus kimia.

Pada skema di bawah dapat dilihat bagaimana kemungkinan struktur suatu paduan. Dan perlu diingat bahwa dalam suatu paduan seringkali strukturnya merupakan kombinasi dari beberapa fase.

Gambar 4.4 Possible alloy structures

Soal essay :

1.      Sebutkan beberapa faktor yang mempengaruhi kelarutan pada alloy system ?

2.      Sebutkan dan jelaskan apa saja larutan yang ada di Solit solution ?

Jawaban :

a.       Crystal structure factor. Complete solid solubility, kemampuan membentuk larutan padat dengan segala komposisi (kelarut-padatan lengkap), tidak akan terjadi bila kedua unsurnya, solute dan solvent, struktur kristalnya tidak sama. Jadi pada substitutional solid soulution kedua unsurnya harus memiliki struktur kristal sama.

b.      Relative size factor. Terbentuknya suatu larutan padat akan mudah terjadi bila perbedaan diameter atom tidak terlalu besar, tidak lebih dari 15%. Bila perbedaan ini lebih dari 15% maka kelart-padatannya (solid solubility) akan sangat terbatas. Misalnya timah hitam dengan perak yang memiliki perbedaan diameter atom 20%, maka kelarut-padatan timah hitam pada perak hanya sekitar 1,5%, sedang kelarut-padatan perak dalam timah hitam malah hanya 0,1%.

Antimon dan bismuth dapat saling melarutkan pada segala komposisi, kelarut-padatannya tidak terbatas, karena perbedaan diameter atom hanya 7% dan struktur krsitalnya sama, (rhombohedral). Sedang kelarutan antimon dalam aluminium (fcc), dengan perbedaan diameter atom 2%, hanya 0,1%, karena struktur kristalnya tidak sama.

c.       Chemical affinity factor. Makin besar chemical affinity antara dua logam makin kecil kemungkinannya membentuk suatu larutan padat lebih cenderung akan terjadi senyawa. Biasanya makin jauh jarak antara dua unsur dalam Tabel Periodik makin besar pula chemical affinity antara keduanya.

d.      Relative-valence factor. Bila solute metal memiliki valensi berbeda dari solvent maka jumlah elektron valensi per atom, disebut juga electron ratio akan berubah. Dan struktur kristal lebih peka terhadap penurunan electron ratio daripada terhadap kenaikan electron ratio. Jadi dengan kata lain logam bervalensi lebih rendah dapat melarutkan lebih banyak logam bervalensi lebih tinggi daripada sebaliknya. Misalnya dalam sistem paduan aluminium-nickel, keduanya fcc, relative size factor 14%. Aluminium bervalensi lebih tinggi, kelarutannya dalam nickel dapat mencapai 5%, tetapi aluminium hanya mampu melarutkan hanya 0,04% nickel.

2.            Suatu larutan terdiri dari dua bagian yaitu solute (terlarut) dan solvent (pelarut). Solute merupakan bagian yang lebih sedikit, sedang solvent adalah bagian yang lebih banyak. Biasanya jumlah solute yang dilarutkan oleh solvent merupakan fungsi temperatur, makin meningkat dengan naiknya temperatur. Ada tiga kemungkinan kondisi larutan yaitu tidak jenuh (unsaturated), jenuh (saturated) dan lewat jenuh (supersaturated). Larutan dikatakan tidak jenuh bila jumlah solute yang terlarut masih di bawah jumlah yang mampu dilarutkan oleh solvent pada temperatur dan tekanan yang dimaksud. Jika jumlah solute yang larut tepat mencapai batas kelarutannya dalam solvent, dikatakan sebagai larutan jenuh. Larutan lewat jenuh terjadi bila jumlah solute yang larut telah melampaui batas kelarutannya pada temperatur dan tekanan tersebut.

Soal Pilihan ganda ilmu bahan :

1.      Suatu coumpound yang mempunyai sifat non-metal, keuletan rendah, konduktifitas listrik juga rendah dan struktur kristalnya kompleks disebut ?

A.    Interstitial compound              C. Elektron compound   

B.     Intermetallic compound          D. 1,2,3 benar semua

2.      Semakin besar chemical affinity antara dua logam makin kecil kemungkinannya membentuk suatu larutan padat lebih cenderung akan terjadi senyawa, disebut ?

A.    Crystal Structure factor          C. Chemical affinity factor

B.     Relative size factor                 D. Relative-valence factor

3.      pada gambar di samping yang menunjukkan type solid solution Interstitial adalah ?

A.    A                     C.  A dan B benar

B.     B                     D.  A dan B salah

4.      Eloktron apa yang menunjukkan dari strukture B.C.C ?

A.    AgCd dan AgZn                     C. AgCd₃ dan FeAl

B.      AgCd dan Ag2Cd₃                 D. Cu₂Al dan AuMg

5.      Suatu Solid Solution (larutan padat) apabila ?

A.    Jumlah solute yang dilarutkan meningkat.

B.     Larutan padat yang terdiri dari dua atau lebih atom yang berkombinasi.

C.     Memiliki Valensi yang berbeda

D.    1,2,3 Benar semua.