1. Cari diagram fase minimum
dari 2 unsur berbeda.(gambar, jelaskan cara terbentuk kristal tunggal,
polikristal, poikristal terorientasi untuk masing-masing fase) berdasarkan
diagram fase biner, tentukan komposisi awal dan komposisi akhir dari senyawa
yang disentering! tentukan suhu sinteringnya!gambar diagram!
Diagram fasa Al-Si
Gambar di atas, memperlihatkan diagram fasa dari
sistem Al-Si. Tampak fasa yang ada untuk semua paduan Al-Si pada rentang suhu
300˚C-1500˚C, gambar sebelah kiri, dan pada rentang 400˚C-1400˚C gambar sebelah
kanan untuk berbagai macam variasi komposisi.
Pada diagram fase di atas, α (struktur kristal fcc)
dan β (struktur kristal bcc) digunakan untuk menunjukkan dua fasa yang berbeda
masing-masing digunakan untuk menunjukkan fasa Al dan Si. Dari diagram fasa di
atas kita dapat menganalisa, bahwa suatu paduan senyawa yang terdiri dari
kira-kira 98% Al dan 2%Si dipanaskan secara perlahan dari suhu ruang hingga
1500˚C. Maka fasa yang terjadi selama
proses pemanasan berlangsung adalah:
Suhu ruang hingga 550˚C α + β
550˚C hingga 600˚C α
600˚C hingga 660˚C α + liquid
660˚C hingga 1500˚C cairan
·
Kristal tunggal terbentuk hanya pada fase liquid. Jadi
dari analisa di atas, dapat disimpulkan bahwa kristal tunggal terbentuk dengan
mengkombinasikan Al dan Si masing-masing sebesar 98% dan 2%, kemudian
dipanaskan pada rentang suhu kira-kira antara suhu kamar sampai 700˚C, hingga terbentuk
fasa liquid. Setelah itu, untuk memisahkan komponen kristal tunggal
(kemungkinan terbesar, didapatkan kristal tunggal Al dengan perbandingan 98:2)
dapat dilakukuan proses sintesis.
· Polikristal merupakan
material yang memiliki banyak kristal dengan batas butir (grain boundary) yang
menyertainya serta memiliki orientasi yang acak. Dari analisa diagram fase di
atas, dapat diketahui bahwa untuk membentuk polikristal dari campuran Al dan
Si, dapat diperoleh melalui paduan komposisi Al dan Si masing-masing 98% dan 2%
dengan suhu sintering pada rentang kira-kira pemanasan dari suhu ruang sampai
suhu 550˚C. Sehingga pada kondisi ini akan didapatkan akan dua fase secara
bersamaan yaitu fase α dan β.
· Polikristal terorientasi
adalah polikristal yang memiliki spin (domain) searah. Hal ini dapat diperoleh,
dengan memberikan magnetic field pada material polikristal. Hingga pada
akhirnya akan didapatkan polikristal yanng memiliki spin (domain searah). Arah
spin pada material polikristal dapat dilihat melalui AFM (Atomic Force Microscope). Polikristal terorientasi, dapat kita
temukan pada fasa (α+L) atau (β+L), jadi jika kita mengkombinasikan komponen
Al:Si 98%:2% maka dapat kita sintering dari rentang suhu antara suhu kamar
sampai kira-kira pada suhu 660˚C.
2. Jelaskan
reaksi kongruen, reaksi inkongruen, reaksi eutektik, reaksi peritektik! Jelaskan
dilengkapi dengan gambar.
Kesetimbangan dan Reaksi Tiga-Fasa
Gambar 3.16 Diagram fas sistem Pb-Sn.
Paduan 1 : 63Sn-37Pb. Paduan 2 : 70Pb-30Sn. Paduan 3 : 70Sn-30Pb.
v Reaksi eutektik
Pada berbagai sistem metalik dan keramik biner, dua fasa kristalin dan satu
cairan dapat berkoeksistensi. Kaidah fasa yang dimodifikasi menunjukkan bahwa
kondisi khas ini bersifat invarian; artinya, temperatur dan komposisi fasa
memiliki nilai tetap. Pada gambar 3.16 terdapat diagram fasa sistem
timbal-timah putih. Ternyata, kelarutan padat untuk kedua komponen logam
terbatas, dengan
dan
mewakili larutan padat primer dengan stuktur
kristal berbeda. Garis lurus, yaitu garis euttektik mendatar, mewakili tiga
komposisi fasa (
) pada temperatur
. Garis ini terdiri dari
segitiga tiga-fasa yang ditekan; pada semua titik di garis ini, terdapat tiga
fasa dalam keadaan setimbang. Hal ini akan diperjelas pada pembahasan sistem
terner. pada pendinginan atau pemanasan lambat, komposisi rata-rata paduan
berada di antara limitnya,
reaksi eutetik berlangsung sesuai rumus
. Minimum yang didefinisikan dengan pasti dalam
likuidus, titik eutektik (mudah leleh), merupakan ciri khas reaksi ini.
Perhatikan
pembekuan lelehan dengan komposisi rata-rata 37Pb-63Sn. Pada temperatur
sekitar
180 0C, lelehan serentak membeku membentuk campuran mekanik terdiri
dari dua fasa padat, yang berarti cairan
. Berdasarkan kaidah pengungkit, rasio massa
sekitar 9:11. Apabila penurunan
temperatur berlanjut melalui pendinginan lambat, komposisi kedua fasa mengikuti
garis solvus masing-masing. Garis horisontal yang melewati medan
ini menentukan rasio massa bagi setiP tempertur. Ketika komposisi lelehan
mencapai nilai eutektik
, seluruh sisa cairan
bertransformasi menjadi campuran dua fasa, seperti sebelumnya. Namun untuk
paduan ini, struktur akhir terdiri dari butir
primer dalam matriks eutektik
. Sama dengan sebelumnya, seseorang dapat mendeduksikan bahwa struktur
paduan hiper-eutektik yang membeku dan mengandung 30 Pb - 70Sn terdiri dari
beberapa butir
primer dalam matriks eutektik
.
Paduan timbal-rendah atau timah-rendah,
dengan komposisi melampaui kedua titik ujung garis eutektik horisontal (secara
teoritis, horisontal eutektik tidak dapat memotong garis vertikal yang mewakili
komponen murni; selalu ada sejumlah tertentu kelarutan padat, meski sangat
kecil), membeku dan bertransformasi secara keseluruhan menjadi fasa primer pada
rentang temperatur yang kecil. Ketika temperatur “memotong” solvus terkait,
fasa primer ini menjadi tidak stabil dan terjadi presipitasi sejumlah kecil
fasa kedua. Perbandingan akhir antara kedua fasa tersebutdapat diperoleh dengan
superposisi garis horisontal pada medan dua-fasa sentral: tidak ada tanda-tanda
campuran eutektik dalam mikrostruktur.
Paduan eutektik
(37Pb-63Sn) dan paduan hipoeutektik (70Pb-30Sn) yang dipilih untuk uraian
pembekuan mewakili dua dari berbagai jenis solder (solder lunak untuk pemakaian
rekayasa mempunyai rentang komposisi timah dari 20% sampai 65%, spesifikasi
standar pertama disusun oleh ASTM pada tahun 1918. USA kini merencanakan
penghapusan produk yang mengandung timbal, dan solder bebas timbal sedang
dikembangkan) untuk penyambungan logam. Solder eutektik dengan kadar Sn 60-65%
digunakan secara luas di industri elektronika untuk sambu ngan yang presis,
berintegritas tinggi dengan skala produksi massal tanpa resiko merusak komponen
yang peka panas. Solder ini memiliki sifat “ pembasahan” yang baik sekali
(sudut kontak <100), likuiditas yang rendah dan rentang pembekuan
yang dapat diabaikan. Rentang pembekuan paduan 70Pb-30Sn yang panjang (solder
untuk keperluan plumbing) dimanfaatkan agar solder pada sambungan tetap dapat
“dioleskan” meski sudah “mengental”.
Kekuatan geser paduan
solder yang paling banyak digunakan relatif rendah, hanya sekitar 25-55 MN m-2,
sehingga seringkali digunakan sambungan ikatan mekanik. Fluks (seng klorida
yang korosif, atau resin nonkorosif) mempermudah pembasahan logam yang akan
disambung dengan melarutkan lapisan tipis oksida dan mencegah terjadinya oksida
ulang. Untuk mengatasi masalah solder dan fluks berlebih, pada aplikasi elektronika
digunakan solder prabentuk yang kecil.
Gambar 3.16 memperlihatkan
urutan struktur yang diperoleh pada rentang sistem Pb-Sn. Kurva pendinginan
untuk paduan hipoeutektik dan eutektik diperlihatkan pada gambar 3.17a.
Pemisahan kristal primer menghasilkan perubahan kemiringan, sementara itu panas
dilepaskan. Jumlah panas yang dilepaskan bertambah ketika reaksi eutektik
berlangsung. Panjang (durasi) plateau sebanding dengan jumlah struktur eutektik
terbentuk, seperti terlihat pada gambar 3.17b. meskipun kurva pendinginan
ternyata dapat digunakan untuk menentukan bentuk sistem sederhana, biasanya
diperlukan pemeriksaan mikroskopik (optik, elektron) dan analisis difraksi
sinar-X untuk konfirmasi secara rinci.
v Reaksi Peritektik
Sistem eutektik sering
dijumpai bila titik cair dari kedua komponen hampir sama. Tipe kedua yang
penting pada kondisi tiga-fasa invarian, yaitu reaksi paritektik, adalah sistem
dengan komponen dengan komponen dengan titik cair yang sangat berbeda. Biasanya
reaksi paritetik terdapat pada sistem yang lebih rumit; seperti sistem Cu-Zn
dengan rentetan terdiri dari dari lima reaksi peritektik. Bentuk sederhana dari
sistem peritektik diperlihatkan pada gambar 3.18; meskipun jarang digunakan
dalam praktek (seperti Ag-Pt), tetapi dapat dimanfaatkan untuk menjelaskan
prinsip dasar. Garis horisontal, sebagai kunci reaksi, menghubungkan tiga
komposisi fasa kritis; yaitu
. Reaksi peritektik
terjadi apabila komposisi rata-rata paduan memotong garis ini baik sewaktu
pendinginan maupun pemanasan perlahan-lahan. Reaksi ini dapat ditulis dengan
rumus
. Paduan biner dengan
kadar komponen B lebih sedikit dibandingkan kadar di titik
akan berperilaku sama seperi larutan padat. Lelehan
paduan 1, dengan komposisi peritektik, akan membeku pada rentang temperatur
tertentu, dan terjadi endapan kristal fasa
primer. Komposisi lelehan bergerak ke bawah
mengikuti likuiditus, dan semakin kayakaya akan komponen B. Pada temperatur
peritektik
, cairan dengan komposisi
bereaksi dengan kristal primer tadi dan
terjadi transformasi fasa baru,
, dengan struktur kristal
yang berbeda sesuai persamaan
. Pada sistem yang
diperlihatkan,
tetap stabil selama pendinginan selanjutnya.
Paduan 2 juga akan mengendapkan
primer, akan tetapi reaksi pada temperatur
tidak melibatkan semua kristal tadi dan
padatan akhir terdiri dari
, yang merupakan produk
reaksi peritektik dan
sisa. Mula-mula rasio massa
sekitar 2,5 hingga 1, akan tetapi kedua fasa
menyesuaikan komposisi selama pendinginan berlanjut. Pada kasus paduan 3,
jumlah kristal primer
yang terbentuk lebih sedikit: pada akhirnya
akan lenyap seluruhnya akibat reaksi peritektik. Jumlah
dalam campuran
dan cairan yang dihasilkan bertambah hingga
cairan hilang dan terbentuklah struktur
Uraian tersebut di atas
mengasumsikan bahwa keadaan setimbangan tercapai pada setiap tahap pendinginan.
Meskipun dalam praktek tidak mungkin terjadi pendinginan sangat lambat, sifat
reaksi peritektik menambah kerumitan. Produk reaksi
cenderung membentuk lapisan di sekeliling
partikel
primer; kehadiran lapisan ini menghambat
pertukaran atom lewat difusi yang menjadi persyaratan kesetimbangan (gambar
3.18).
v Fasa Intermediat
Fasa intermediat memiliki
struktur kristal yang berbeda dengan fasa primer dan terletak di antara fasa
primer dalam diagram fasa. Pada diagram sistem Mg-Si pada gambar 3.19, Mg2Si merupakan fasa intermediat.
Kadang-kadang atom pembentuk fasa intermediat mempunyai rasio stoikiometrik
yang tetap dan berupa garis vertikal tunggal dalam diagram. Namun, seringkali
memiliki rentang komposisi tertentu, sehingga dianjurkan untuk memakai istilah
“senyawa”.
Pada beberapa diagram, seperti pada Gambar
3.19, fasa intermediat terdapat mulai dari temperatur ruang hingga likuiditas,
dan mencair atau membeku tanpa perubahan komposisi. Titik cair seperti itu
disebut kongruen: titik cair paduan eutektik tidak kongruen. Fasa
dengan pencairan kongruen dijadikan sarana untuk membagi diagram fasa yang
kompleks (biner atau terner) menjadi bagian yang lebih mudah dimengerti.
Sebagai contoh, suatu ordinat melalui verteks fasa intermediat pada gambar 3.19
mengahasilkan dua subsistem eutektik sederhana. Dengan cara serupa, ordinat
dapat ditarik melalui minimum (atau maksimum) likuiditas larutan padat.
Umumnya, fasa intermediat
keras serta getas, dan mempunyai struktur kristal kompleks (contoh, Fe3C,
CuAl2(
). Dianjurkan untuk
mempersingkat waktu dan membatasi temperatur pensolderan paduan tembaga, karena
mungkin terbentuk lapisan getas Cu3Sn dan Cu6Sn5
pada antarmuka.