Titanium: Sifat Kunci, Aplikasi, dan Penggunaan Industri

---

Latar Belakang

Titanium dikenal sebagai logam transisi dalam tabel periodik unsur dengan simbol Ti. Ini adalah bahan perak-abu yang ringan dengan nomor atom 22 dan bobot atom 47,90. Ini memiliki densitas 4510 kg/m ³ , yang berada di antara densitas aluminium dan stainless steel. Titanium memiliki titik leleh sekitar 3.032 °F (1.667 °C) dan titik didih 5.948 °F (3.287 °C). Secara kimia, titanium berperilaku mirip dengan zirkonium dan silikon. Titanium memiliki resistensi korosi yang luar biasa dan rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi.

Titanium adalah logam keempat yang paling melimpah, membentuk sekitar 0,62% kerut bumi. Jarang ditemukan dalam bentuk murni, titanium biasanya ada dalam mineral seperti anatase, brookite, ilmenite, leucoxene, perovskite, rutile, dan sphene. Meskipun titanium relatif melimpah, tetap mahal karena sulit diisolasi. Produsen konsentrat titanium terkemuka meliputi Australia, Kanada, China, India, Norwegia, Afrika Selatan, dan Ukraina. Di Amerika Serikat, negara bagian produsen titanium utama adalah Florida, Idaho, New Jersey, New York, dan Virginia.

Ribuan aloi titanium telah dikembangkan dan dapat digolongkan menjadi empat kategori utama. Sifatnya bergantung pada struktur kimia dasar dan cara pengolahan selama manufaktur. Beberapa unsur yang digunakan untuk membuat aloi termasuk aluminium, molibdenum, kobalt, zirkonium, timah, dan vanadium. Aloi fase alpha memiliki kekuatan terendah tetapi dapat dibentuk dan dielas. Aloi alpha plus beta memiliki kekuatan tinggi. Aloi near alpha memiliki kekuatan sedang tetapi memiliki resistensi creeping yang baik. Aloi fase beta memiliki kekuatan tertinggi di antara semua aloi titanium tetapi juga kurang ductil.

Aplikasi titanium dan aloi-aloinya banyak. Industri penerbangan adalah pengguna terbesar produk titanium. Titanium berguna untuk industri ini karena rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi dan sifat suhu tinggi. Biasanya digunakan untuk bagian pesawat dan penangkal. Sifat yang sama membuat titanium berguna untuk produksi mesin turbine gas. Digunakan untuk bagian seperti baling-baling kompresor, casing, penutup mesin, dan pelindung panas.

Karena titanium memiliki resistensi korosi yang baik, ini adalah bahan penting untuk industri finishing logam. Di sini digunakan untuk membuat kerucut pemanas pemanas, jig, dan lapisan. Resistensi titanium terhadap klorin dan asam menjadikannya bahan penting dalam pengolahan kimia. Digunakan untuk berbagai pompa, klep, dan pemanas exchanger pada garis produksi kimia. Industri pengolahan minyak menggunakan bahan titanium untuk tabung kondensor karena resistensi korosi. Sifat ini juga membuatnya berguna untuk peralatan yang digunakan dalam proses desalinasi.

Titanium digunakan dalam produksi implan manusia karena memiliki kompatibilitas yang baik dengan tubuh manusia. Salah satu penggunaan terbaru yang paling menonjol dari titanium adalah dalam jantung buatan yang pertama kali diimplantasi pada manusia pada 2001. Penggunaan titanium lainnya ada dalam pengganti pinggang, pacemaker, defibrillator, dan sendi lutut serta pinggang.

Terakhir, bahan titanium digunakan dalam produksi berbagai produk konsumen. Digunakan dalam manufaktur sepatu, perhiasan, komputer, peralatan olahraga, jam tangan, dan patung. Sebagai titanium dioksida, digunakan sebagai pigmen putih dalam plastik, kertas, dan cat. Bahkan digunakan sebagai pewarna makanan putih dan sebagai pelindung sinar matahari dalam produk kosmetik.

Sejarah

Sebagian besar sejarawan mengakui William Gregor sebagai penemu titanium. Pada 1791, dia bekerja dengan menachanite (mineral yang ditemukan di Inggris) saat mengakui unsur baru dan menerbitkan hasilnya. Unsur tersebut ditemukan kembali beberapa tahun kemudian dalam bijih rutile oleh M. H. Klaproth, seorang kimiawan Jerman. Klaproth memberi nama unsur titanium berdasarkan raksasa mitologis, the Titans.

Baik Gregor maupun Klaproth bekerja dengan senyawa titanium. Isolasi signifikan pertama dari titanium hampir murni dilakukan pada 1875 oleh Kirillov di Rusia. Isolasi logam murni tidak ditunjukkan hingga 1910 ketika Matthew Parker dan rekan-rekannya bereaksi titanium tetraklorida dengan natrium dalam bom steel yang dipanaskan. Proses ini menghasilkan potongan titanium murni individu. Pada pertengahan tahun 1920-an, sekelompok ilmuwan Belanda membuat kawat kecil titanium murni dengan melakukan reaksi disosiasi pada titanium tetraiodide.

Demonstrasi ini mendorong William Kroll untuk mulai bereksperimen dengan berbagai metode untuk mengisolasi titanium secara efisien. Eksperimen awal ini mengarah pada pengembangan proses untuk mengisolasi titanium dengan reduksi menggunakan magnesium pada 1937. Proses ini, sekarang disebut proses Kroll, masih menjadi proses utama untuk produksi titanium. Produk pertama yang terbuat dari titanium diperkenalkan sekitar tahun 1940 dan termasuk kawat, lembaran, dan batang.

Meskipun pekerjaan Kroll menunjukkan metode untuk produksi titanium pada skala laboratorium, membutuhkan hampir satu dekade lagi sebelum dapat diadaptasi untuk produksi skala besar. Pekerjaan ini dilakukan oleh United States Bureau of Mines dari 1938 hingga 1947 di bawah arah R. S. Dean. Pada 1947, mereka telah melakukan berbagai modifikasi pada proses Kroll dan menghasilkan hampir 2 ton logam titanium. Pada 1948, DuPont membuka operasi manufaktur skala besar pertama.

Metode manufaktur skala besar ini memungkinkan penggunaan titanium sebagai bahan struktural. Pada tahun 1950-an, digunakan terutama oleh industri penerbangan dalam konstruksi pesawat. Karena titanium lebih unggul dari baja untuk banyak aplikasi, industri tumbuh dengan cepat. Pada 1953, produksi tahunan telah mencapai 2 juta lb (907.200 kg) dan pelanggan utama untuk titanium adalah militer Amerika Serikat. Pada 1958, permintaan titanium turun secara signifikan karena militer mengalihkan fokusnya dari pesawat bermisi ke roket yang lebih cocok untuk baja. Sejak saat itu, industri titanium mengalami berbagai siklus permintaan tinggi dan rendah. Banyak aplikasi dan industri baru untuk titanium dan aloi-aloinya telah ditemukan selama bertahun-tahun. Saat ini, sekitar 80% titanium digunakan oleh industri penerbangan dan 20% oleh industri non-penerbangan.

Bahan Baku

Titanium diperoleh dari berbagai bijih yang terjadi secara alami di bumi. Bijih primer yang digunakan untuk produksi titanium termasuk ilmenite, leucoxene, dan rutile. Sumber lain yang menonjol termasuk anatase, perovskite, dan sphene.

Ilmenite dan leucoxene adalah bijih yang mengandung titan. Ilmenite (FeTiO3) mengandung sekitar 53% titanium dioksida. Leucoxene memiliki komposisi yang serupa tetapi memiliki sekitar 90% titanium dioksida. Keduanya ditemukan terkait dengan deposit batuan keras atau di pantai dan pasir aluvial. Rutile adalah titanium dioksida (TiO2) yang relatif murni. Anatase adalah bentuk lain dari titanium dioksida kristal dan baru-baru ini menjadi sumber komersial yang signifikan dari titanium. Keduanya terutama ditemukan di deposit pantai dan pasir.

Perovskite (CaTiO3) dan sphene (CaTi-SiO5) adalah bijih kalsium dan titanium. Tidak ada salah satu bahan ini digunakan dalam produksi komersial titanium karena kesulitan dalam menghilangkan kalsium. Di masa depan, kemungkinan perovskite dapat digunakan komersial karena mengandung hampir 60% titanium dioksida dan hanya memiliki kalsium sebagai pengotor. Sphene memiliki silikon sebagai pengotor kedua yang membuat isolasi titanium semakin sulit.

Selain bijih, senyawa lain yang digunakan dalam produksi titanium termasuk gas klorin, karbon, dan magnesium.

Titanium digunakan untuk berbagai macam barang, seperti kerangka sepeda, implan pinggang, bingkai kacamata, dan anting-anting.

Proses Manufaktur
Proses

Titanium diproduksi menggunakan proses Kroll. Langkah-langkah yang terlibat termasuk ekstraksi, pemurnian, produksi sponge, pembuatan aloi, dan pembentukan dan forming. Di Amerika Serikat, banyak produsen yang spesialisasi pada berbagai fase produksi ini. Misalnya, ada produsen yang hanya membuat sponge, yang lainnya hanya meleleh dan membuat aloi, dan yang lainnya yang menghasilkan produk akhir. Saat ini, tidak ada satu produsen pun yang menyelesaikan semua langkah ini.

Ekstraksi

• 1 Pada awal produksi, produsen menerima konsentrat titanium dari tambang. Meskipun rutile dapat digunakan dalam bentuk alami, ilmenite diproses untuk menghilangkan besi sehingga mengandung setidaknya 85% titanium dioksida. Bahan-bahan ini dimasukkan ke dalam reaktor fluidized-bed bersama dengan gas klorin dan karbon. Bahan dipanaskan hingga 1.652 °F (900 °C) dan reaksi kimia yang berikutnya menghasilkan titanium tetraklorida (TiCl4) yang tidak murni dan karbon monoksida. Pengotor adalah hasil dari fakta bahwa titanium dioksida murni tidak digunakan pada awalnya. Oleh karena itu, berbagai klorida logam yang tidak diinginkan yang dihasilkan harus dihilangkan.

Pemurnian

• 2 Logam yang bereaksi dimasukkan ke dalam tangki distilasi besar dan dipanaskan. Selama langkah ini, pengotor dipisahkan menggunakan distilasi fraksional dan presipitasi. Tindakan ini menghilangkan klorida logam termasuk besi, vanadium, zirkonium, silikon, dan magnesium.

Produksi Sponge

• 3 Selanjutnya, titanium tetraklorida yang telah dipindahkan sebagai cairan ke dalam wadah reaktor stainless steel. Magnesium kemudian ditambahkan dan wadah dipanaskan hingga sekitar 2.012 °F (1.100 °C). Argon dipompa ke dalam wadah sehingga udara akan dihilangkan dan kontaminasi dengan oksigen atau nitrogen dicegah. Magnesium bereaksi dengan klorin menghasilkan klorida magnesium cair. Ini meninggalkan titanium padat murni karena titik leleh titanium lebih tinggi dari reaksi.
• 4 Titanium padat dihilangkan dari reaktor dengan membor dan kemudian diperlakukan dengan air dan asam klorida untuk menghilangkan magnesium dan klorida magnesium berlebih. Padat yang dihasilkan adalah logam berpori yang disebut sponge.

Pembuatan Aloi

• 5 Sponge titanium murni kemudian dapat dikonversi menjadi aloi yang dapat digunakan melalui arc furnace dengan elektroda habis. Pada titik ini, sponge dicampur dengan berbagai penambahan aloi dan logam bekas. Proporsi yang tepat antara sponge dan bahan aloi diformulasikan di laboratorium sebelum produksi. Massa ini kemudian ditekan menjadi kompak dan dielas bersama, membentuk elektroda sponge.
• 6 Elektroda sponge kemudian ditempatkan dalam vacuum arc furnace untuk dilelehkan. Dalam wadah bakaran tembaga ini, arc listrik digunakan untuk melelehkan elektroda sponge untuk membentuk ingot. Semua udara dalam wadah dihilangkan (membentuk vacuum) atau atmosfer diisi dengan argon untuk mencegah kontaminasi. Biasanya, ingot dileleh kembali satu atau dua kali lagi untuk menghasilkan ingot yang dapat diterima secara komersial. Di Amerika Serikat, sebagian besar ingot yang dihasilkan dengan metode ini memiliki berat sekitar 9.000 lb (4.082 kg) dan diameter 30 in (76,2 cm).
• 7 Setelah ingot dibuat, dihilangkan dari furnace dan diperiksa untuk cacat. Permukaan dapat dikondisikan sesuai kebutuhan pelanggan. Ingot kemudian dapat dikirim ke produsen barang jadi tempat dapat diiling dan difabrikasi menjadi berbagai produk.

Hasil Samping/Limbah

Selama produksi titanium murni, sejumlah besar klorida magnesium dihasilkan. Bahan ini didaur ulang dalam sel daur ulang segera setelah dihasilkan. Sel daur ulang pertama kali memisahkan logam magnesium kemudian gas klorin dikumpulkan. Keduanya digunakan kembali dalam produksi titanium.

Masa Depan

Kemajuan masa depan dalam manufaktur titanium kemungkinan ditemukan di area peningkatan produksi ingot, pengembangan aloi baru, pengurangan biaya produksi, dan aplikasi ke industri baru. Saat ini, ada kebutuhan untuk ingot yang lebih besar daripada yang dapat dihasilkan oleh furnace yang tersedia. Penelitian berlangsung untuk mengembangkan furnace yang lebih besar yang dapat memenuhi kebutuhan ini. Pekerjaan juga dilakukan untuk menemukan komposisi optimal dari berbagai aloi titanium. Pada akhirnya, peneliti berharap bahwa bahan spesial dengan mikrostruktur yang terkontrol akan dapat diproduksi dengan mudah. Terakhir, peneliti telah menyelidiki berbagai metode untuk pemurnian titanium. Baru-baru ini, ilmuwan di Universitas Cambridge mengumumkan metode untuk menghasilkan titanium murni langsung dari titanium dioksida. Ini dapat secara substansial mengurangi biaya produksi dan meningkatkan ketersediaan.

Di Mana Untuk Mempelajari Lebih Lanjut

Buku

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. New York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Majalah

Freemantle, M. “Titanium Extracted Directly from TiO2.” Chemical and Engineering News (25 September 2000).

Eylon D. “Titanium for Energy and Industrial Applications.” Metallurgical Society AIME (1987).

Lainnya

WebElements Web Page. Desember 2001. < https://www.webelements.com >.

Perry Romanowski